C90級耐腐蝕HFW套管性能試驗研究*

何石磊 ， 張 峰 ， 畢宗岳 ， 白 鶴 ， 李遠(yuǎn)征 ，王 濤， 李周波 ， 王 軍 ， 黨 濤 ， 張選龍

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

隨著國內(nèi)油氣田開發(fā)環(huán)境越來越苛刻，特別是因含有H2S和CO2等酸性氣體而造成苛刻復(fù)雜酸性的工況，這些工況要求高強(qiáng)度鋼套管材料具有抗SCC（應(yīng)力腐蝕開裂）的能力[1-4]。試驗研究結(jié)果表明[5-10]，適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞帧?較低的夾雜物含量、 低硫及低氫控制，加上均勻細(xì)小的晶粒組織，可使油套管產(chǎn)品的抗H2S腐蝕性能得到較大提高。近年來，隨著超純凈鋼、連鑄板坯及低碳微合金化鋼板控軋技術(shù)的發(fā)展，HFW焊縫優(yōu)化技術(shù)和生產(chǎn)工藝進(jìn)步，以及無損探傷檢測技術(shù)水平的提高，為HFW焊接套管工藝生產(chǎn)耐腐蝕套管產(chǎn)品提供了優(yōu)質(zhì)的原料和技術(shù)保障[11-12]。本研究采用工業(yè)在線HFW套管生產(chǎn)工藝，通過設(shè)計卷板化學(xué)成分，檢測分析力學(xué)性能、顯微組織及腐蝕性能等方面，討論研究了用HFW套管生產(chǎn)高強(qiáng)度耐腐蝕套管的性能和可行性。

1 試驗材料

1.1 材料成分設(shè)計

采用HFW焊管生產(chǎn)耐腐蝕套管，其卷板化學(xué)成分既要考慮可焊性，又要考慮熱處理及力學(xué)性能要求，同時還要考慮成分對腐蝕性能的影響，因而將卷板碳含量w（C）設(shè)計在0.20%~0.25%之間。Cr和Mo可提高淬火透性，保證回火后獲得單一的回火馬氏體，同時碳化物是氫的不可逆陷阱，可有效提高抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能[10]；但Cr含量較高對HFW焊接影響較大，容易在焊縫中形成灰斑，降低焊縫性能。Mn元素可促進(jìn)有害元素P和S等向晶界集聚，降低晶界結(jié)合力[14]，也可與S元素形成MnS夾雜物，造成材料腐蝕性能惡化，因而采用低Mn成分設(shè)計。S和P是晶界脆化元素，特別是S元素在HFW焊接急熱和急冷過程中容易形成富S區(qū)，惡化焊縫性能，而且MnS夾雜物是氫致裂紋主要發(fā)源地[15-18]，因而S和P含量必須嚴(yán)格控制。Nb，V和Ti微合金元素不僅可以阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒，而且對后續(xù)焊接和熱處理有利，可有效控制熱張減后管坯晶粒尺寸增大。在考慮原料成本和生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，試驗卷板化學(xué)成分見表1。

表1 卷板原料化學(xué)成分%

1.2 材料性能

試驗卷板供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)，常溫下力學(xué)性能見表2，其卷板顯微組織如圖1所示，顯微組織主要為鐵素體+珠光體。

表2 卷板常規(guī)性能檢測結(jié)果

圖1 卷板頭尾部顯微組織

2 試驗方法

2.1 管坯制備

將工業(yè)卷板縱剪成窄鋼帶，然后通過粗成型、精成型、HFW焊接及切管形成毛坯管。采用在線加熱裝置，將HFW焊管管坯加熱到奧氏體化以上溫度，在高溫下將管材按照一定的速率進(jìn)行熱張力減徑處理，將管坯減徑至所需的管徑和壁厚。對熱張減后管坯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，將淬火溫度控制在850～950℃，回火溫度控制在650～700℃，可以得到較好的組織與性能；同時熱處理后的熱矯直溫度應(yīng)≥500℃，可保證較低的殘余應(yīng)力。

2.2 檢測方法

從焊縫位置取20 mm×18 mm塊狀金相試樣，用3%硝酸酒精溶液腐蝕，采用DMI 5000 M金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。沖擊試驗采用PSW 750示波沖擊試驗機(jī)，分別采用6件尺寸為55 mm×10 mm×7.5 mm的焊縫和母材的橫向試樣，試驗溫度為0℃，測定后轉(zhuǎn)換成全尺寸沖擊功。殘余應(yīng)力測試采用環(huán)切法，通過測量切開管段張開量計算殘余應(yīng)力值。

溝槽腐蝕試驗采用恒電位電化學(xué)極化方法對焊縫試樣進(jìn)行加速腐蝕，腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl中性水溶液，陽極極化電位-550 mV，極化時間為144 h，試驗溫度為室溫；采用金相法和顯微鏡測量焊縫的腐蝕深度h2和母材的平均腐蝕深度h1，根據(jù)溝槽腐蝕敏感性系數(shù)公式α＝h2/h1，評價焊縫溝槽腐蝕敏感性。

氫致開裂試驗依據(jù)NACE TM 0284—2003標(biāo)準(zhǔn)，試驗溶液為A溶液，即5%NaCl+0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液，試驗溫度為25±3℃。起始試驗溶液的pH測試值不超過3.3，試驗后溶液的pH測試值不超過4.0，試驗時間為96 h。

應(yīng)力腐蝕試驗依據(jù) NACE TM 0177—2005，試驗溶液為A溶液，即5%NaCl+0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液，試驗溫度為24±3℃。起始試驗溶液的pH測試值為2.7±0.1，試驗后溶液的pH測試值不超過4.0，試驗時間為720 h。加載方式為四點(diǎn)彎曲，加載應(yīng)力值為80%名義屈服強(qiáng)度和85%名義屈服強(qiáng)度。

3 試驗結(jié)果

3.1 強(qiáng)韌性

圖2為C90級耐腐蝕HFW套管的力學(xué)性能。拉伸試驗結(jié)果表明，采用 “高頻焊接+熱張力減徑+全管體調(diào)質(zhì)熱處理”工藝的耐腐蝕套管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可滿足API 5CT標(biāo)準(zhǔn)對C90套管的要求，而且其延伸率遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的要求，最低值為21%。沖擊試驗結(jié)果表明，該工藝下C90級耐腐蝕套管母材和焊縫的橫向沖擊韌性趨于一致，并具有較高的沖擊韌性值（圖 2（b））。

圖2 C90級耐腐蝕HFW套管的力學(xué)性能

3.2 顯微組織

圖3和圖4分別為C90級耐腐蝕HFW套管熱張力減徑后和全管體調(diào)質(zhì)處理后母材與焊縫區(qū)域的顯微組織。分析結(jié)果表明，在熱張力減徑工藝作用下，HFW焊接管坯在熱機(jī)械形變和微合金元素V，Ti和Nb等共同作用下使焊縫區(qū)域組織細(xì)化、均勻化，與母材顯微組織趨于一致。經(jīng)過全管體調(diào)質(zhì)處理后，焊縫與母材的差異進(jìn)一步減少。

圖3 熱張力減徑后管坯顯微組織

圖4 全管體調(diào)質(zhì)熱處理后管坯顯微組織

圖5顯示了C90級耐腐蝕HFW套管調(diào)質(zhì)后碳化物在基體上的分布情況及碳化物類型。掃描電鏡和碳化物能譜分析結(jié)果表明，經(jīng)全管體調(diào)質(zhì)處理后，形成的細(xì)小球化Cr，Mo，V和Nb等強(qiáng)碳化物，這些細(xì)小的合金碳化物均勻、彌散地分布在鐵素體基體上形成氫陷阱，特別是組織界面上仍然呈現(xiàn)不連續(xù)分布，從而提高了基體抗H2S應(yīng)力腐蝕性能。

圖5 套管調(diào)質(zhì)后的碳化物分布形貌及能譜圖

3.3 殘余應(yīng)力

圖6顯示了C90級耐腐蝕HFW套管殘余應(yīng)力測量結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，經(jīng)全管體調(diào)質(zhì)處理后，該工藝生產(chǎn)的C90級耐腐蝕套管殘余應(yīng)力較低，基本測量值維持在60～80 MPa，表明該工藝在降低套管殘余應(yīng)力方面的效果比較明顯。

圖6 殘余應(yīng)力測量結(jié)果

3.4 溝槽腐蝕

HFW高速焊接過程中，因高熱量輸入易造成焊縫區(qū)合金元素分布不均勻、殘余應(yīng)力、焊縫缺陷及夾雜物等，這些因素容易致使焊縫區(qū)域形成腐蝕電池，增加了焊縫溝槽腐蝕的發(fā)生率。目前，對HFW焊管焊縫溝槽腐蝕敏感性評價通常采用溝槽腐蝕敏感性系數(shù)α＝h2/h1（h2和h1分別為焊縫的腐蝕深度和母材的平均腐蝕深度）來衡量。一般認(rèn)為，當(dāng)α<1.3時，焊縫對溝槽腐蝕不敏感。C90級耐腐蝕HFW套管的溝槽腐蝕試驗結(jié)果見表3，腐蝕前后的試樣形貌如圖7所示。試驗結(jié)果表明，該工藝生產(chǎn)的C90級耐腐蝕套管焊縫具有優(yōu)良的抗溝槽腐蝕性能。

表3 溝槽腐蝕試驗檢測結(jié)果

圖7 溝槽腐蝕前后試樣形貌

4 抗氫致開裂（HIC）性能

在腐蝕過程中析出的氫原子向鋼中擴(kuò)散，在鋼中非金屬夾雜物、分層和其他不連續(xù)處易聚集形成氫分子。因氫分子較大，很難從鋼的內(nèi)部逸出，形成氫內(nèi)壓并作用于周圍組織，從而形成表面層下的氫鼓泡。圖8為經(jīng)過氫致開裂試驗后試樣的宏觀形貌，圖9為氫致開裂試驗后試樣放大100倍后的形貌。從宏觀形貌觀察，未發(fā)現(xiàn)試樣表面產(chǎn)生氫鼓泡；從斷面形貌觀察，未能見到夾雜物及裂紋存在，表明試樣對H2S腐蝕不敏感。

圖8 氫致開裂試驗后試樣的宏觀形貌

圖9 腐蝕試樣放大100倍下的形貌

5 抗硫化氫應(yīng)力（SSCC）腐蝕性能

在四點(diǎn)彎曲試驗中，應(yīng)力促使氫原子向母材和焊縫的夾雜物界面、晶界、偏析區(qū)、位錯等區(qū)域形成氫陷阱聚集，從而萌生裂紋和促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。圖10為在飽和H2S的A溶液中試驗720 h后，加載應(yīng)力分別為最小名義屈服強(qiáng)度80%和85%的試樣形貌。可以看出，試樣均未產(chǎn)生裂紋，表明在應(yīng)力作用下該套管具有良好的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能。

圖10 H2S應(yīng)力腐蝕試驗后的試樣形貌

6 試驗結(jié)果分析

研究表明，適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞帧⑤^低的夾雜物含量、低S及低氫的工藝控制，加上均勻細(xì)小的晶粒組織，使低合金高強(qiáng)度鋼的抗H2S腐蝕性能得到較大提高[5-10]。采用 “HFW高頻焊接+熱張力減徑+全管體調(diào)質(zhì)熱處理”工藝生產(chǎn)的C90鋼級耐腐蝕套管，具有良好的塑性、強(qiáng)韌性、抗溝槽腐蝕性及抗H2S腐蝕性能，分析其原因在于：

（1）套管采用TMCP工藝軋制的卷板為原料生產(chǎn)管坯，在卷板成分設(shè)計中充分考慮了工藝特點(diǎn)，降低了C，S，P及Mn含量，添加有效提高抗H2S腐蝕的合金元素Cr，Mo和V等，防止S和P在奧氏體晶界附近聚集及MnS的形成[10,14]，從本質(zhì)上減小了腐蝕傾向；

（2）在添加Cr和Mo的基礎(chǔ)上，增加適量V和Ti等合金元素，不僅能夠保證較高的回火溫度，防止回火脆性的出現(xiàn)，還能增加基體的抗腐蝕能力[19-21]，同時也保證了焊接性能及熱處理性能，而且在后續(xù)加工中保持了熱軋卷板的原始奧氏體晶粒尺寸細(xì)小的優(yōu)點(diǎn)，可充分發(fā)揮合金元素的作用，保證產(chǎn)品組織細(xì)小，從而使套管產(chǎn)品具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性匹配，并具有良好的抗H2S腐蝕能力；

（3）采用HFW高頻焊接后進(jìn)行熱張力減徑處理，細(xì)化了焊縫組織，減小了與母材的差異。同時全管體調(diào)質(zhì)處理，進(jìn)一步減小了組織上的差異，從而保證了焊縫與母材力學(xué)性能的一致性，降低了焊縫溝槽腐蝕的傾向，保證了低的溝槽腐蝕敏感系數(shù)。高溫回火及高溫?zé)岢C直，不僅降低了殘余應(yīng)力，而且有效減小了位錯密度，殘余應(yīng)力及位錯密度的降低對提高HFW焊縫的抗溝槽腐蝕和H2S應(yīng)力腐蝕性能非常有利[12-13,22-23]；（4）全管體調(diào)質(zhì)熱處理后，由于原始晶粒尺寸細(xì)小，保證了基體上碳化物分布更加彌散，并且呈不連續(xù)分布，從而提高了基體的抗腐蝕能力。同時，彌散分布于基體上的合金碳化物恰是氫的不可逆陷阱[19,21]，從而提高了材料抗H2S應(yīng)力腐蝕的性能。

7 結(jié) 論

（1）采用 “HFW高頻焊接+熱張力減徑+全管體調(diào)質(zhì)熱處理”工藝開發(fā)的C90級耐腐蝕套管產(chǎn)品屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均滿足API 5CT標(biāo)準(zhǔn)對C90套管的要求，母材和焊縫的橫向沖擊功均大于100 J，且沖擊功差異不大，殘余應(yīng)力小于80 MPa，表明該工藝開發(fā)的C90級耐腐蝕套管具有良好的綜合力學(xué)性能。

（2）由 “HFW高頻焊接+熱張力減徑+全管體調(diào)質(zhì)熱處理”工藝生產(chǎn)的C90級HFW套管焊縫具有低的溝槽腐蝕系數(shù)，管體對氫致開裂腐蝕不敏感；在加載80%和85%名義屈服強(qiáng)度應(yīng)力下，試樣在飽和H2S的A溶液中經(jīng)過720 h不開裂。腐蝕試驗表明，該套管具有良好的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能。

［1］張華倩.油井管腐蝕現(xiàn)狀與防護(hù)技術(shù)初探［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（11）：104.

［2］牟昊，陳妍，齊殿威，等.高強(qiáng)度油井管用鋼專利技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.特殊鋼，2012（05）：19-24.

［3］王文明，張毅.酸性氣體腐蝕環(huán)境油井管選材分析與評價［J］.腐蝕與防護(hù)，2010（08）：645-648.

［4］徐東林.兩種油套管抗硫鋼的H2S/CO2腐蝕研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［5］王樹濤，鄭新艷，李明志，等.抗硫套管鋼P(yáng)110SS在高含H2S/CO2條件下的硫化物應(yīng)力腐蝕破裂敏感性［J］.腐蝕與防護(hù)，2013（03）：189-192.

［6］田青超，董曉明，郭金寶.抗擠抗硫套管用CrMo鋼在硫化氫介質(zhì)中的電化學(xué)行為［J］.寶鋼技術(shù)，2008（05）：49-53.

［7］周志偉,俞杰.C90-1級耐腐蝕石油套管用鋼25CrMoTi的開發(fā)[J].特殊鋼，2012（04）:39-41.

［8］賴宏.超細(xì)晶耐腐蝕性鋼的開發(fā)與研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2003.

［9］殷名學(xué)，曹曉燕，羅澤斌，等.抗硫油管與鎳鉻合金鋼材料的電偶腐蝕研究［J］.天然氣與石油，2009（02）：16-19.

［10］婁琦，杜偉，李東風(fēng)，等.110鋼級抗擠抗硫套管性能試驗研究［J］.石油礦場機(jī)械，2013（05）：65-68.

［11］黃云，江健，邊華川.L80-13Cr抗CO2腐蝕油井管的研制與開發(fā)［J］.柳鋼科技，2009（S1）：48-51.

［12］余燦生.C95級ERW耐腐蝕油井管成分及熱處理工藝研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

［13］武會賓，劉立甫，王立東，等.Q125級套管鋼高頻電阻焊接頭耐 CO2/H2S腐蝕行為［J］.焊接學(xué)報，2013（10）：17-21.

［14］王煒，齊慧濱，肖光成，等.ERW 焊管溝槽腐蝕行為研究與評價［J］.世界鋼鐵， 2006， 7（06）： 20-24.

［15］羅登，崔海偉，蔡慶伍，等.X80級管線鋼抗氫致開裂和應(yīng)力腐蝕開裂性能研究［J］.物理測試，2009（05）：11-16.

［16］彭先華.不同微觀結(jié)構(gòu)管線鋼氫致開裂（HIC）行為研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2013.

［17］CARNEIRO R A， RATNAPULI R C， LINS V C.The Influence of Chemical Composition and Microstructure of API Linepipe Steels on Hydrogen Induced Cracking and Sulfide Stress Corrosion Cracking ［J］.Materials Science and Engineering： A， 2003， 357（01）： 104-110.

［18］尹成先.X70管線鋼氫致開裂及應(yīng)力腐蝕行為研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2003.

［19］周維漢，楊揚(yáng)，謝凱意.抗腐蝕油管熱處理工藝的確定［J］.材料保護(hù)， 2006（03）：69-71.

［20］王志奮，吳立新，孫宜強(qiáng)，等.組織結(jié)構(gòu)對貝氏體鋼的耐腐蝕性能影響［J］.物理測試，2011（04）：37-41.

［21］孫宇，張志遠(yuǎn)，韓麗華，等.鉻鉬系列抗腐蝕鋼管的組織及析出相分析［J］.鋼管，2011（06）：43-48.

［22］PARK J，SEO B，LEE J.A Study on Grooving Corrosion Behavior of Electric Resistance Welded Steel Pipe for Post Weld Heat Treatment［J］.Journal-korean Institute of Metals and Materials， 2003， 41（01）： 45-50.

［23］呂春雷，曹為民，陳浩，等.應(yīng)力對直縫高頻電阻焊管溝槽腐蝕的影響［J］.腐蝕與防護(hù)，2010（07）：512-514.