3Cr鋼高頻焊管性能試驗(yàn)研究

李博鋒， 王 榮， 楊 楠， 張 君， 權(quán) 勇

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065；2.中國石油裝備制造分公司，北京100007；

3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

0 前 言

油氣開發(fā)和集輸使用的管材主要包括碳鋼、低合金鋼以及用于含H2S/CO2苛刻腐蝕環(huán)境的不銹鋼及耐蝕合金，如13Cr馬氏體不銹鋼、22Cr雙相不銹鋼以及鎳鉻基合金等［1］。近年來針對一些CO2含量不是太高，使用碳鋼管材無法抵抗腐蝕，但利用不銹鋼管材則成本過高的工況條件，研究開發(fā)出具有一定抗CO2腐蝕性能，且能夠降低投資成本的低Cr管材，在油氣集輸和長輸管線方面具有廣泛的應(yīng)用前景，在油氣管材開發(fā)方面引起廣泛了關(guān)注［2-6］。本研究通過對試制的3Cr鋼高頻感應(yīng)焊接鋼管組織及性能的分析，為低Cr鋼管材在油田現(xiàn)場的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備

試制所用原料為壁厚5mm，w（Cr）=3%的低Cr鋼卷板，其主要化學(xué)成分見表1。

將卷板經(jīng)HFW焊接制成φ60.3 mm×5 mm的焊管，隨后對焊縫進(jìn)行930℃正火熱處理。從試制焊管上截取焊縫及母材金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液腐蝕，利用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察組織及焊縫金屬流線形貌，采用Durascan 70硬度計從焊縫熔合線向兩側(cè)測試焊接接頭硬度。依據(jù)ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全管體拉伸試驗(yàn)及壓扁、擴(kuò)口試驗(yàn)。采用HDV7C型恒電位儀，在體積分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl中性水溶液腐蝕環(huán)境中，通過恒電位電化學(xué)極化方法評價焊縫溝腐蝕敏感性。通過常溫常壓腐蝕試驗(yàn)測試管體在CO2腐蝕環(huán)境的耐蝕性，采用掃描電鏡對腐蝕產(chǎn)物形貌及成分進(jìn)行分析。

表1 3Cr鋼的化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 焊縫金相分析

高頻感應(yīng)焊接時，加熱過程中的第二相粗大樹枝晶在擠壓輥擠壓力作用下，沿焊縫熔合線向兩側(cè)四個角度的變形方向作定向伸長，如圖1所示。這種較對稱的羽毛狀（或樹枝狀）結(jié)晶組織稱作金屬流線。通過測量金屬流線升角大小以及熔合線寬度，能夠很好地判斷焊接過程熱輸入、擠壓力和焊接速度等參數(shù)控制的穩(wěn)定性，從而達(dá)到分析焊縫質(zhì)量的目的［7-8］。

圖1 高頻焊縫金屬流線

金屬流線升角及熔合線寬度測量方式如圖2所示。分別測量熔合線兩側(cè)壁厚1/4t方向處金屬流線升角以及內(nèi)、外壁側(cè)和壁厚中部的熔合線寬度。所測流線升角分別為58°，60°，62°和66°，表明熔合線兩側(cè)金屬流線對稱性良好，且符合文獻(xiàn)［7］中提出的50°～80°的控制范圍。壁厚中部熔合線寬度fn=60.07μm，符合文獻(xiàn)［7］中提出的20～140μm的控制范圍；內(nèi)壁側(cè)熔合線寬度fi=80.62μm，外壁側(cè)寬度fo=88.06μm，符合文獻(xiàn)［7］中提出的控制要求。合理的流線升角和熔合線寬度控制，說明焊接過程工藝參數(shù)穩(wěn)定，焊接質(zhì)量良好。

圖2 金屬流線升角和熔合線寬度的測量位置及方式

2.2 顯微組織

3Cr鋼高頻感應(yīng)焊管焊縫及熱影響區(qū)顯微組織如圖3所示。從圖3中可以看出，焊縫及熱影響區(qū)組織均以鐵素體和貝氏體為主，且組織分布均勻，晶粒較細(xì)。這是因?yàn)橥ㄟ^焊后正火熱處理使得焊縫及熱影響區(qū)的粗晶組織發(fā)生完全奧氏體化轉(zhuǎn)變，并在隨后的冷卻過程進(jìn)行重結(jié)晶，使組織得到很好的改善和細(xì)化［9］。此外，Cr的加入也能減少共析鐵素體，使針狀鐵素體逐漸被貝氏體所替代，進(jìn)而使熱影響區(qū)得到了一定的細(xì)化［10］。管體母材組織如圖4所示，從圖4可以看出，母材組織同樣以鐵素體和貝氏體為主，通過掃描電鏡進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)在組織中還存在少量M/A組元。

圖3 3Cr鋼焊縫及熱影響區(qū)組織形貌

圖4 3Cr鋼管體母材組織形貌

2.3 硬度

沿熔合線兩側(cè)進(jìn)行維氏硬度測試，結(jié)果如圖5所示。測試結(jié)果表明，3Cr鋼高頻焊管焊縫、熱影響區(qū)和母材硬度基本控制在190～230HV0.5范圍內(nèi)，各區(qū)域硬度差異不大。這是由于通過焊后熱處理有效降低了焊縫及熱影響區(qū)硬度，使其與母材趨于一致。另外，對于油氣管線，使用時一般要求材料的硬度低于270HV0.5，當(dāng)硬度值高于270HV0.5時可能存在風(fēng)險，因此該管材硬度符合上述衡量標(biāo)準(zhǔn)［11］。

圖5 硬度測試結(jié)果

2.4 力學(xué)性能

對管材進(jìn)行一系列拉伸、壓扁及擴(kuò)口試驗(yàn)，結(jié)果顯示，管體屈服強(qiáng)度為500 MPa，抗拉強(qiáng)度為600MPa，延伸率為35%。壓扁試驗(yàn)時，試樣壓扁至標(biāo)準(zhǔn)要求的32 mm的壓板間距，內(nèi)外表面均未產(chǎn)生裂紋或斷裂，繼續(xù)壓扁至內(nèi)表面貼合后未發(fā)現(xiàn)焊縫未熔合或母材分層現(xiàn)象。對試樣進(jìn)行25%擴(kuò)口試驗(yàn)時，焊縫及母材未發(fā)現(xiàn)裂紋或裂口現(xiàn)象。表明管材在具有較高強(qiáng)度的同時，還具有良好的塑性指標(biāo)。

2.5 溝槽腐蝕敏感性試驗(yàn)

高頻感應(yīng)焊縫區(qū)由于與母材存在成分、組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布狀態(tài)等差異，導(dǎo)致其耐腐蝕性通常比母材的差，焊縫區(qū)會出現(xiàn)明顯的選擇性腐蝕，即溝槽狀的腐蝕形態(tài)，這種現(xiàn)象稱為 “溝槽腐蝕”［12-13］。為了評價3Cr鋼高頻感應(yīng)焊縫抗溝槽腐蝕敏感性，通過恒電位電化學(xué)極化方法進(jìn)行溝槽腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為HDV7C型恒電位儀，恒溫水浴、鹽橋、飽和甘汞電極等。采用三電極系統(tǒng)對試樣施加－550mV（相對于飽和甘汞參比電極，SCE）極化電位進(jìn)行陽極極化，極化時間為144 h。試驗(yàn)溶液為3.5%NaCl中性水溶液，采用分析純NaCl和蒸餾水配制，pH值為6.5～6.9，更換溶液時間12 h，溶液不需除氧，無流動。環(huán)境氣壓0.1 MPa，溫度30℃。

試驗(yàn)后在金相顯微鏡下按照圖6所示分別測量試驗(yàn)后焊縫的腐蝕深度h2和母材的腐蝕深度h1，并按照公式α＝h2/h1計算焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)α，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2中可以看出，3Cr鋼高頻感應(yīng)焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)均小于1.3，表明焊接接頭具有良好的耐溝槽腐蝕性能［14-15］。

圖6 溝槽腐蝕試樣數(shù)據(jù)測量方式

表2 溝槽腐蝕敏感性系數(shù)檢測結(jié)果

2.6 常溫常壓腐蝕試驗(yàn)

對試制的3Cr鋼管體母材取樣，進(jìn)行常溫常壓腐蝕模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)在方形密閉容器中進(jìn)行，試驗(yàn)時向溶液中通入純CO2氣體，使其達(dá)到飽和。試驗(yàn)溫度為常溫，壓力為常壓，溶液pH值為4.22，試驗(yàn)時間168 h。腐蝕介質(zhì)主要化學(xué)成分見表3。

表3 腐蝕介質(zhì)化學(xué)成分

試驗(yàn)后經(jīng)失重分析，3Cr鋼管體腐蝕速率為0.118 mm/a，通過掃描電鏡觀察腐蝕產(chǎn)物形貌如圖7（a）所示，發(fā)現(xiàn)試樣表面覆蓋有大量的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物，顆粒呈針狀分布，局部出現(xiàn)少量腐蝕坑。能譜分析結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要為Ca，F(xiàn)e，Cl和O等元素。

圖7 母材常溫常壓腐蝕產(chǎn)物形貌及成分

3 結(jié) 論

（1）試制的3Cr鋼高頻感應(yīng)焊管焊縫金屬流線升角及熔合線寬度控制合理，焊縫、熱影響區(qū)組織均以鐵素體及貝氏體為主，組織均勻細(xì)小，掃面電鏡分析發(fā)現(xiàn)母材組織以鐵素體和貝氏體為主，并存在少量M/A組元。

（2）拉伸、壓扁及擴(kuò)口試驗(yàn)表明，試制的3Cr鋼高頻感應(yīng)焊管滿足較高強(qiáng)度的同時并具有良好的塑性。

（3）恒電位電化學(xué)極化方法進(jìn)行的溝槽腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)均小于1.3，說明焊接接頭具有良好的耐溝槽腐蝕性能。

（4）常溫常壓腐蝕試驗(yàn)表明，管體腐蝕速率為0.118mm/a，通過掃描電鏡對腐蝕試樣表面觀察發(fā)現(xiàn)，試樣表面覆蓋有大量的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物主要由Ca，F(xiàn)e，Cl和O等元素組成。

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