高鋼級(jí)耐酸性X70MS鋼螺旋埋弧焊管的生產(chǎn)工藝及組織性能

畢宗岳，黃曉輝，牛 輝，張錦剛，趙紅波，劉海璋，張萬鵬，牛愛軍

（國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，寶雞721008）

0 引 言

石油、天然氣是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，在能源消費(fèi)中的比重日益增加，而管道是石油、天然氣最為經(jīng)濟(jì)、安全的長(zhǎng)距離輸送工具。當(dāng)輸送管道暴露在含濕H2S的流體介質(zhì)中時(shí)，容易發(fā)生硫化氫酸性腐蝕，造成管道突然失效。其中氫致開裂（HIC）和應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）是H2S酸性腐蝕的主要形式，容易造成管壁減薄、蝕孔、甚至斷裂等［1］。

我國(guó)很多油氣田中含有較高濃度的H2S，這使得很多集輸管線處于酸性的腐蝕環(huán)境中，而輸氣鋼管主要為低鋼級(jí)耐酸管。目前，國(guó)內(nèi)僅研發(fā)生產(chǎn)出了X52MS和X60MS鋼耐H2S腐蝕管，高鋼級(jí)耐H2S腐蝕管幾乎完全依賴進(jìn)口。為滿足國(guó)內(nèi)酸性油氣輸送的需要，作者課題組開發(fā)出了高鋼級(jí)X70MS鋼耐H2S腐蝕管，介紹了其主要生產(chǎn)工藝，并按 API Spec 5L（44版）《管線鋼管規(guī)范》及附錄H：酸性服役條件PSL2鋼管的訂購(gòu)要求標(biāo)準(zhǔn)以及美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其力學(xué)性能和耐蝕性能進(jìn)行了研究。

1 X70MS鋼的化學(xué)成分和顯微組織

1.1 化學(xué)成分

耐酸管在惡劣的腐蝕環(huán)境中工作，使用條件十分苛刻。耐酸鋼的主要設(shè)計(jì)思路是鋼的純凈度高，組織均勻細(xì)小，殘余應(yīng)力和冷裂紋敏感系數(shù)低。高鋼級(jí)耐酸性X70MS鋼采用超低碳、低錳，添加鉻、銅、鎳，嚴(yán)格控制磷、硫雜質(zhì)含量進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，并通過鈣處理使條狀硫化物夾雜轉(zhuǎn)化為球狀，以降低材料中的非金屬夾雜、成分偏析、帶狀組織等，減少氫原子聚集，達(dá)到提高抗H2S腐蝕能力的目的［3］。表1為設(shè)計(jì)的X70MS鋼板的化學(xué)成分。另外，該鋼的冷裂紋敏感系數(shù)為0.136，符合API要求（不大于0.22）。

1.2 顯微組織

耐酸性X70MS鋼是在普通X70管線鋼的基礎(chǔ)上，選用精料，采用高效鐵液預(yù)處理和精煉工藝控制硫、磷等元素的含量以及夾雜物的數(shù)量和尺寸，并在超潔凈鋼生產(chǎn)中采用深脫硫技術(shù)、在連鑄過程中采用電磁攪拌和動(dòng)態(tài)輕壓下等技術(shù)控制偏析進(jìn)行生產(chǎn)的。對(duì)開發(fā)出的X70MS鋼卷板進(jìn)行多視域的夾雜物觀察，幾乎未見尖角夾雜物，帶狀組織級(jí)別1.0。顯微組織以細(xì)晶粒F＋少量P為主，晶粒均勻一致，平均尺寸約為5.2μm，如圖1所示。

表1 X70MS鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of X70MS steel plate（mass） %

圖1 X70MS鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructure of X70MS steel plate

2 X70MS鋼耐酸管的焊接與成型工藝

2.1 耐酸焊接材料

為實(shí)現(xiàn)焊縫的耐酸性，設(shè)計(jì)開發(fā)了耐酸蝕性焊絲和焊劑。焊絲成分設(shè)計(jì)采用低碳、低錳及鈦、硼微合金化，并添加鉬、鎳、銅等元素，盡可能降低硫、磷含量。錳雖然可以彌補(bǔ)降碳帶來的強(qiáng)度損失以及提高焊縫的沖擊韌性，但隨其含量增多，MnS析出物也相應(yīng)增多，從而導(dǎo)致焊縫增氫。所以采用低錳，并添加一定含量的鉬、鎳來彌補(bǔ)焊縫強(qiáng)度；另外，鈦和硼的聯(lián)合作用將促使焊縫中有更多的針狀鐵素體形成，從而進(jìn)一步提高焊縫的強(qiáng)韌性和耐酸性［4］。耐H2S腐蝕焊絲的成分設(shè)計(jì)見表2。

表2 耐H2S腐蝕焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of H2S resistance wire（mass） %

開發(fā)的氟堿型燒結(jié)耐蝕焊劑既要保證焊縫的強(qiáng)韌性又要提高其耐酸性，同時(shí)還要具有良好的脫渣、脫氣性等焊接工藝性能，其組分設(shè)計(jì)如表3所示。該焊劑中含有較多的堿性氧化物，可促進(jìn)焊縫金屬脫氧，減少合金元素的燒損，有利于清除焊縫中的硫、磷等雜質(zhì)，提高焊縫的沖擊韌性［5-6］；CaF2可與SiO2及液態(tài)金屬表面的H2O通過高溫化學(xué)反應(yīng)生成HF，降低電弧氣氛中的氫分壓，但CaF2電離勢(shì)較高，會(huì)使電弧導(dǎo)電性下降；MnO、SiO2起脫氧作用，應(yīng)盡可能控制MnO的加入量，以避免錳向焊縫中擴(kuò)散；Al2O3在高溫下具有良好的穩(wěn)定性，其作為造渣劑對(duì)調(diào)整熔渣的熔點(diǎn)及黏度起著極為重要的作用，有利于雙絲焊接過程中后絲更好地將凝固的渣殼再次熔化；CaO和MgO主要起提高堿度的作用。

表3 耐H2S腐蝕焊劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Chemical composition of H2S resistance weld flux（mass） %

2.2 焊管的成型工藝

由于殘余應(yīng)力直接影響管道的抗應(yīng)力腐蝕能力，故而必須嚴(yán)格控制成型焊接工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)鋼管的低應(yīng)力成型［7］。采用V型90°坡口，嚴(yán)格控制坡口角的大小，以保證X70MS鋼板在焊接過程中能夠焊透。根據(jù)鋼板的屈服強(qiáng)度水平，采用外控成型方式，精密測(cè)量各成型輥的位置，并精確控制它們的角度，在相應(yīng)的試驗(yàn)機(jī)組上，調(diào)小1＃輥和3＃輥的間距，1＃輥至中心距為170.4mm，傾角為19.97°，3＃輥至中心距為237.2mm，傾角為28.39°，2＃輥第一個(gè)棍子的中心到成型縫咬合點(diǎn)距離設(shè)置為139mm，并精確調(diào)整2＃輥的壓下量，測(cè)量焊管的軸向、徑向、周向的彈復(fù)量分別為25，10，-10mm，低的彈復(fù)量可確保鋼管成形后的殘余應(yīng)力得到有效控制。

2.3 焊接熱輸入的控制

焊接熱輸入對(duì)焊縫組織形態(tài)和晶粒大小的影響較大，進(jìn)而對(duì)焊接接頭的韌性等力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響［8］。熱輸入過大會(huì)導(dǎo)致冷卻速率慢，易形成晶粒粗大的組織；熱輸入過小會(huì)導(dǎo)致冷卻速率快，易形成脆而硬的組織。

試驗(yàn)研究了不同熱輸入下的焊縫韌性，對(duì)于φ508mm×9.5mm的X70MS鋼螺旋埋弧焊管，當(dāng)外焊的焊接熱輸入分別為14.5，15.8，16.5kJ·cm-1時(shí)，焊縫沖擊吸收能的平均值分別為85，142，106J，所以選擇外焊的熱輸入為15.8kJ·cm-1。具體焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 X70MS鋼耐酸管的焊接工藝參數(shù)Tab.4 Welding parameters of X70MS steel acid-resistant pipe

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方法

采用Leica DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織，腐蝕液為4%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液；采用司特爾Durascan-70型全自動(dòng)顯微/維氏硬度計(jì)測(cè)管體和焊接接頭的硬度，加載載荷98N，加載時(shí)間60s；采用LSM-700型激光共聚焦顯微鏡對(duì)酸蝕后的焊縫表面進(jìn)行激光掃描深度分析。

采用ZWICK Z1200KN型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，母材拉伸試樣在焊管180°位置取樣，母材拉伸試樣和焊縫拉伸試樣均采用板狀試樣，依據(jù)ASTM E8《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸；加工出7.5mm×10mm×55mm的沖擊試樣，依據(jù)ASTM E23《金屬材料缺口沖擊試驗(yàn)方法》，采用ZWICK PSW750J型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；采用JL-50000型落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）試驗(yàn)；采用WE-30B型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫做正反彎試驗(yàn)，彎芯半徑為55mm，彎曲角度為180°，正反面焊縫均未出現(xiàn)裂紋。沖擊試驗(yàn)、DWTT試驗(yàn)以及彎曲試驗(yàn)均符合API SPEC 5L（44版）標(biāo)準(zhǔn)要求。

依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）標(biāo)準(zhǔn)TM 0284-2003《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評(píng)定方法》，對(duì)X70MS鋼耐酸管在H2S環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液為標(biāo)準(zhǔn)中的A溶液（飽和硫化氫溶液＋5%NaCl＋0.5%醋酸的混合溶液），浸泡時(shí)間為96h；氫致開裂（HIC）試驗(yàn)完成后，對(duì)母材、焊縫和熱影響區(qū)的HIC試樣進(jìn)行宏觀檢查，觀察外表面是否有氫鼓泡現(xiàn)象；然后按NACE TM 0284-2003要求，放大100倍對(duì)斷面進(jìn)行檢查，按式（1～3）分別計(jì)算試樣的裂紋敏感率（CSR）、裂紋長(zhǎng)度率（CLR）和裂紋厚度率（CTR）。

CSR＝［∑（a×b）/（W ×T）］×100% （1）

CLR＝［（∑a）/W］×100% （2）

CTR＝［（∑b）/W］×100% （3）

式中：a為裂紋長(zhǎng)度，mm；b為裂紋厚度，mm；W 為試樣寬度，mm；T為試樣厚度，mm。

依據(jù)NACE標(biāo)準(zhǔn)TM 0177-1996《金屬材料在含H2S環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）試驗(yàn)，將試樣連同夾具一起放進(jìn)試驗(yàn)容器中，固定好密封裝置，加載方式選用NACE標(biāo)準(zhǔn)要求中的四點(diǎn)彎曲法，分別在72%σs，80%σs，90%σs載荷下進(jìn)行SSCC試驗(yàn)，腐蝕溶液為標(biāo)準(zhǔn)中的A溶液，試驗(yàn)開始時(shí)溶液的pH約為3.0，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的pH不大于4.0，溶液體積和試樣面積比大于20mL·cm-2，試驗(yàn)時(shí)間為720h。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 顯微組織

由圖2（a～b）可知，外焊焊縫的組織以針狀F和少量先共析F為主，焊接熱影響區(qū)（HAZ）組織以粒狀貝氏體（B）為主；焊縫中形成了大量針狀F，針狀F是晶內(nèi)形核的貝氏體，其以大角度分布，取向自由度大，并具有很高的位錯(cuò)密度以及較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的抗斷裂性能［9］。HAZ中粒狀B的韌性雖然不如針狀F的，但其強(qiáng)度較高，保證了焊接接頭良好的強(qiáng)度。

由圖2（c～d）可見，針狀F及其周圍被酸蝕后在表面凸起，而先共析針狀F及其周圍受腐蝕影響大而凹下，形成了一個(gè)表面腐蝕深度不同的激光掃描三維形態(tài)圖。由圖2（e）可知，針狀F具有更強(qiáng)的耐蝕性。

圖2 X70MS鋼管焊接接頭的組織與形貌Fig.2 Microstructure and images of X70MS steel pipe welded joint：（a）OM morphology of weld seam；（b）OM morphology of HAZ；（c）the source image of weld seam after scanning laser；（d）distribution image of welded joint after scanning laser and（e）the depth map between A point and B point in weld seam after scanning laser

3.2.2 力學(xué)性能

大量研究證明，多數(shù)鋼的強(qiáng)度級(jí)別越高，其抗SSCC性能越差。經(jīng)破壞事故和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，材料不發(fā)生SSCC的最高硬度在20～27HRC（238～279HV）范圍內(nèi)，硬度越高，臨界應(yīng)力和斷裂時(shí)間越低，HIC敏感性也越大［10-11］。由表5可知，母材、焊縫及熱影響區(qū)的維氏硬度都比較低，分別為226，214，217HV10，均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的250HV10。

由表6可以看出，X70MS鋼耐酸管母材橫向及焊縫的拉伸性能均符合API SPEC 5L（44版）標(biāo)準(zhǔn)要求。表7中的沖擊功AkV為將X 7 0MS鋼耐酸管試樣換算成10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊功。可見，X70MS鋼耐酸管在0℃下的沖擊性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，0℃下的落錘撕裂（DWTT）剪切面積均為100%。

表5 X70MS鋼管耐酸管母材和焊接接頭的硬度Tab.5 Hardness of X70MS acid-resistant pipe base metal and welded joint HV10

表6 X70MS鋼耐酸管母材橫向及焊縫的拉伸性能Tab.6 Tensile properties of X70MS acid-resistant pipe base metal and weld seam

表7 X70MS耐酸管不同位置處的沖擊、DWTT及彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 The result of impact toughness，DWTT and bend test of X70MS acid-resistant pipe

3.2.3 HIC性能

HIC試驗(yàn)完成后，對(duì)母材、焊縫和熱影響區(qū)的HIC試樣進(jìn)行宏觀檢查，外表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡現(xiàn)象，剖面上亦無 HIC裂紋，CSR，CLR，CTR均為0，遠(yuǎn)低于 API SPEC 5L（44版）標(biāo)準(zhǔn)的要求（CSR≤2%，CLR≤15%，CTR≤5%）。可見，新研發(fā)的X70MS鋼耐酸管對(duì)HIC不敏感。

3.2.4 SSCC性能

對(duì)X70MS鋼耐酸管分別施加72%σs，80%σs，90%σs的應(yīng)力水平后，母材、焊縫、熱影響區(qū)試樣均未發(fā)生SSCC現(xiàn)象，且無宏觀和微觀裂紋。可見，試驗(yàn)結(jié)果符合API SPEC 5L（44版）標(biāo)準(zhǔn)要求中施加72%最小規(guī)定屈服強(qiáng)度應(yīng)力而不斷裂的要求，試樣在90%σs的應(yīng)力水平下都完好未開裂，表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗SSCC性能。

4 結(jié) 論

（1）采用低碳、低錳及低磷、超低硫含量的成分設(shè)計(jì)，通過添加微合金元素鎳、鉻、銅以彌補(bǔ)碳、錳降低造成的強(qiáng)度損失，采用超潔凈鋼生產(chǎn)工藝中的深脫硫技術(shù)以及在連鑄過程采用電磁攪拌和動(dòng)態(tài)輕壓下等技術(shù)控制偏析，全流程嚴(yán)格控制硫磷含量和夾雜物形狀，得到了組織細(xì)小均勻、潔凈度較高的以針狀鐵素體為主的X70MS鋼耐酸板材。

（2）開發(fā)了耐酸性埋弧焊焊絲和焊劑，焊絲采用低碳、低錳以及鈦硼微合金化設(shè)計(jì)，并盡可能降低硫、磷含量；采用氟堿型燒結(jié)焊劑，通過低應(yīng)力成型技術(shù)及合適的焊接熱輸入（158kJ·cm-1），得到了以針狀F為主的焊縫組織；耐酸管母材的屈服強(qiáng)度為515～525MPa，抗拉強(qiáng)度為615～620MPa，焊縫的抗拉強(qiáng)度為655MPa～685MPa，管體和焊縫的硬度都小于250HV10，0℃下母材的沖擊功大于296J，焊縫沖擊功大于120J。

（3）開發(fā)的耐H2S腐蝕X70MS鋼螺旋埋弧焊管具有較好的耐HIC性能和耐SSCC性能，力學(xué)性能和耐蝕性能達(dá)到和遠(yuǎn)高于API SPEC 5L（44版）標(biāo)準(zhǔn)要求。

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