馬氏體不銹鋼HFW管線管的開發

肖國章，高 霞，馬 星，趙波鋒 編譯

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司石油專用管分公司，陜西寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司輸送管分公司，陜西寶雞721008；4.中國船級社質量認證公司，北京100006）

0 前言

油氣井開發進入中后期，CO2含量大大增加，在該環境中可以使用馬氏體不銹鋼油井管。但是，由于馬氏體不銹鋼的焊接性較差，沒能得到普遍應用。近幾年，一些新型不銹鋼改進了其焊接性并投入了使用，但是仍然沒有將馬氏體不銹鋼應用于HFW焊管中。

本研究開發了一種具有良好可焊性和抗濕CO2腐蝕的新型馬氏體不銹鋼HFW焊管。該馬氏體不銹鋼中w （Cr）=11%～13%，還有Ni及少量的Mo，C和N。化學成分的控制使該鋼具有良好的抗腐蝕性及可焊性。焊接采用了惰性氣體保護，防止焊接過程中Cr以氧化物形式產生，焊縫質量良好，焊管具有很好的外觀尺寸。筆者就該產品的材料設計理念、生產工藝、外觀尺寸、力學性能、抗腐蝕性及焊接性進行了介紹。

1 材料設計理念

1.1 目標性能

馬氏體不銹鋼管線管的服役環境如圖1所示。本次開發的目標是得到表1所示性能的抗濕CO2腐蝕的馬氏體不銹鋼。

圖1 馬氏體不銹鋼管線管的服役環境

表1 新型馬氏體不銹鋼合金的目標性能

1.2 新型馬氏體不銹鋼開發的基本理念

本次設計基本理念是使馬氏體不銹鋼管線管得到好的焊縫強度、焊接性及抗腐蝕性，如圖2所示。為了得到良好的抗CO2腐蝕性能，w（Cr）必須大于等于11%；低的C和N含量使焊縫熱影響區的硬度降低；添加Ni預防δ-鐵素體粗晶粒的形成和焊縫熱影響區強度的降低；添加Mo提高含H2S濕CO2環境的抗SSC能力。

圖2 新型馬氏體不銹鋼合金設計理念

2 新型馬氏體不銹鋼HFW管線管開發

2.1 化學成分及生產工藝

試驗用馬氏體不銹鋼化學成分見表2，生產工藝如圖3所示。熱軋后空冷母材具有大的馬氏體結構，生產的帶鋼在AC1線下退火，得到要求的強度。帶鋼成型后通過HFW得到φ273 mm×7.8 mm規格鋼管。采用CO2氣體保護焊接以防止生成Cr的氧化物，采用在線焊縫熱處理降低焊縫硬度。

表2 新型馬氏體不銹鋼化學成分%

圖3 新型馬氏體不銹鋼管線管生產工藝

2.2 力學性能及組織

2.2.1 強度

母材和焊縫拉伸試驗結果見表3。從表3可以看出，斷裂處在母材，表明焊接性良好。在25℃，100℃和200℃時焊縫的屈服強度和抗拉強度如圖4所示。隨著溫度的升高屈服強度有少量的降低，在100～150℃溫度時，焊縫的屈服強度與室溫時的屈服強度接近。

表3 拉伸試驗結果

圖4 25益，100益和200益時焊縫強度

圖5 -20益時母材和焊縫的橫向夏比沖擊值（1/2尺寸）

2.2.2 韌性

母材和焊縫的夏比沖擊性能如圖5所示，在-20℃具有足夠的沖擊值。焊縫經熱處理后，熱影響區不同位置的V形槽試驗結果見表4。

表4 -20益時焊縫不同位置的夏比沖擊功

2.2.3 裂紋尖端張開位移（CTOD）

表5-20益時CTOD試驗結果

裂紋尖端張開位移試驗（-20℃）結果見表5。

2.2.4 硬度

母材和焊縫的維氏硬度試驗結果如圖6所示，HV10＜300，滿足不高于350的目標要求。

圖6 母材及距焊縫中心不同位置的硬度試驗結果

2.2.5 金相組織

母材和焊縫的金相組織如圖7所示，可以看出均為回火馬氏體。

圖7 焊縫和母材金相組織

2.3 鋼管外觀尺寸

試驗鋼管的圓度和偏心度見表6，圓度和偏心度的平均值分別為0.15%和0.9%，HFW焊管外觀尺寸大大優于普通無縫鋼管。

表6 試驗鋼管圓度和偏心度

2.4 焊接接頭

焊接接頭采用氣體保護鎢極電弧焊（GTAW），焊縫的剖面圖和組織見圖8。焊縫橫向拉伸試驗值為770 MPa，776 MPa和781 MPa，且均在母材上斷裂。表7為-20℃橫焊縫接頭夏比沖擊性能。CTOD試驗結果見表8。試驗結果表明，焊縫性能和母材一樣良好。焊接參數見表9。

圖8 橫焊縫金相組織照片

表7 -20益橫焊縫接頭夏比沖擊功（橫向，1/2尺寸）

表8 -20益橫焊縫接頭CTOD試驗結果

表9 環焊縫焊接參數

3 腐蝕性能

3.1 一般腐蝕性能

在100℃，H2S分壓分別為0 MPa和0.01 MPa時，25%NaCl溶液中，對母材和焊縫進行腐蝕試驗。分別對試樣進行噴丸和機加工，腐蝕720天后，腐蝕速率低于0.01 mm/a，沒有出現腐蝕裂紋。

3.2 SSC性能

對管線管進行SSC試驗，試驗條件為25℃，H2S分壓 0.01 MPa，CO2分壓 10 MPa， 5%NaCl溶液，pH值為4，施加100%屈服強度。試驗720天后，沒有出現腐蝕裂紋。

3.3 陰極保護性能

陰極保護下抗氫脆檢驗條件（四點彎曲試驗）如下：①焊縫取橫焊縫與HFW焊縫，不壓平；②焊接試樣表面保持原貌，機加工平后拋光，HFW焊縫保留原貌；③施加應力為100%屈服強度；④試驗溶液為3.5%NaCl，試驗前pH值5.4，試驗后 pH 值 5.8（-1 194 mV）和 6.3（-894 mV）；⑤陰極保護條件為-1 194 mV vs SCE（-1 150 mV vs Ag/AgCl）， -894 mV vs SCE （-850 mV vs Ag/AgCl）；⑥試驗時間為90天，溫度為25℃。

在-1 194 mV vs SCE陰極過保護條件下，沒有裂紋出現，甚至在陰極保護時不出現氫脆。

4 結論

（1）新型可焊接馬氏體不銹鋼可以生產薄壁高精度不銹鋼管線管，可以用氣體保護技術進行HFW焊接。

（2）新型馬氏體不銹鋼管不用焊前預熱和焊后熱處理，焊縫所有性能滿足目標力學性能，具有高抗腐蝕性能。