低Mn 高Nb 抗酸性X65MS 直縫埋弧焊管研制*

黃曉輝，牛 輝，張冬冬，戶志國，李 穎，張 超

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008;2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008;3.中國石油西北銷售寶雞分公司 陜西 寶雞 721300;4.中油寶世順(秦皇島)鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206)

硫化氫(H2S)是石油和天然氣中最具有腐蝕性的有害介質之一，嚴重影響著油氣輸送管線的使用壽命，其中氫致開裂(HIC)和硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)是酸性腐蝕的主要形式，制約著油氣輸送管道的安全服役［1］。

目前，抗酸管市場主要集中在中東、東南亞和非洲等地，隨著深井和海底油氣資源勘探增加，海底管道用抗酸管的需求將進一步增加，如南美洲、巴西等地。中國抗酸管需求主要面向西南、西北等地油氣田集輸管線，由于市場需求、以及潛在的服役風險，國內生產技術與國外知名抗酸管生產企業存在一定差距［2］。開發的X65MS 低Mn 高Nb 抗酸直縫管采用抗酸性能優異的低Mn 高Nb熱軋鋼板，由于與以往抗酸鋼板Mn 含量化學成分大不相同，所以從X65MS 低Mn 高Nb 抗酸管研發制造過程中的特殊性出發，對成型、焊接、腐蝕等方面進行了大量研究，并成功試制出了X65MS 低Mn 高Nb 抗H2S 腐蝕直縫埋弧焊管。

1 X65MS 低Mn 高Nb 耐酸鋼板開發

抗酸性鋼管要求鋼材的純凈度較高，保證低含量的S 和P 等雜質元素，并要嚴格控制管線鋼的帶狀組織和夾雜物大小形狀，這是因為帶狀組織偏析處易于聚H，尖銳的夾雜物區域應力高易引起氫致開裂［3］，所以控制夾雜物數量和尺度，特別注意對Ⅱ型MnS 夾雜物的控制，避免夾雜物在軋制過程中變形成為線狀或長條狀，可避免管線鋼的各向異性，提高管線鋼的抗HIC 性能［4］。X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性鋼板采用極低的錳質量分數(0.5%)，以消除Mn 偏析，采用高Nb 和Cr 合金化提高強度，采用高溫軋制和碳硫化鈦夾雜物的形狀控制等合金設計，可以有效改善鋼板中心線偏析和降低MnS 鏈狀夾雜物形成，而且采用Nb-Cr 的簡單合金設計可以降低抗酸板材合金成本。

X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性鋼板成分設計后進行軋制，化學成分檢測結果見表1。對開發出的X65MS 抗酸性鋼板進行多視域夾雜物觀察，未見尖角的夾雜物，非金屬夾雜僅存在DS 類細0.5，帶狀組織為0，X65MS 板材邊部和壁厚中心組織均勻一致，金相組織見圖1，組織以PF+少量P 為主，晶粒度10，開發出的X65MS 抗酸性板材。基本實現了超低偏析、超低夾雜及細晶化。

表1 X65MS 耐酸鋼板化學成分 w，%

圖1 X65MS 抗酸板金相組織

2 X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管制造工藝

2.1 抗酸管專用焊絲開發

結合X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性焊管化學成分特點，研發了適用于低Mn 高Nb 板材的Mn-Ni-Mo-Ti-B 系合金焊絲，其指導思想是通過控制焊縫淬硬性、相變溫度、晶粒度、晶粒形態達到顯微組織的改善［5］，通過貝氏體強化針狀鐵素體的技術路線來滿足X65MS 低Mn 高Nb 焊接性的要求。在降低C 含量的基礎上，添加合金元素Mn，Ni，Mo 以固溶強化方式提高焊縫的強度，降低Bs(貝氏體轉變點)點，使PF(多邊形鐵素體)，P(珠光體)和B(貝氏體)轉變溫度區分離，在較寬的溫度范圍內獲得AF 和GB，并確保對焊縫金屬基體造成的韌性危害最小。焊絲中的Ni 加入焊縫中不僅耐酸，而且耐堿，Ni 與Fe 化學性質相同，原子半徑接近，對基體點陣造成的畸變最小，增加Ni 以彌補降C 降Mn 帶來的強度損失，提高焊縫疲勞的斥力和低溫脆性轉變溫度。適量添加Ti和B 等微合金元素產生有效夾雜物形核質點，控制B 而促進針狀鐵素體的形成。綜合各種元素在焊縫金屬中所起作用的分析，根據強度、韌性、焊接性和抗H2S 腐蝕等綜合性能的要求，抗酸焊絲成分設計見表2。

表2 耐酸焊絲成分 w，%

2.2 抗酸管焊材匹配試驗

焊絲對焊縫組織形態和晶粒大小影響較大，導致焊接接頭力學性能變化較大［6-7］。根據直縫埋弧焊管焊接的特定工藝方式，為了最大限度地制定出既能滿足焊接接頭的理化性能指標，又能滿足耐蝕性介質腐蝕的焊接工藝參數，采用開發出的Mn-Ni-Mo-Ti-B 抗酸焊絲和常規X65MS 鋼級Mn-Mo-Ti-B 焊絲對X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性焊管進行現場焊接對比試驗，都選用BG-SJ101G 燒結焊劑，鋼管壁厚15.9 mm，采用X 型坡口，上坡口角度80°，下坡口角度75°，鈍邊5 mm。

試驗研究了不同焊材匹配下的焊縫韌性變化規律，針對15.9 mm 厚X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管，選用Mn-Ni-Mo-Ti-B 系抗酸焊絲焊接后，焊縫沖擊功分別為180，191 和201 J，選用Mn-Mo-Ti-B 系常規焊絲焊接后，焊縫沖擊功分別為72，65和82 J，可見選擇Mn-Ni-Mo-Ti-B 系抗酸焊絲，焊縫具有較高的韌性。圖2 和圖3 為選用抗酸焊絲和常規焊絲焊接后，對焊縫進行夏比沖擊試驗后的沖擊斷口電子掃描電鏡圖。由圖2 可見，抗酸焊絲焊接后，焊縫組織主要為大量晶核內針狀鐵素體(IAF)，同時存在少量B 粒，裂紋遇到IAF 或B 粒時會彎曲前行，有時被阻斷，阻斷后會重新引起裂紋源并繼續延伸，裂紋的終止處一般也都在IAF 或B 粒部分，焊接接頭中的IAF 或B 粒有良好的止裂作用，良好的抗SSCC 性能［8-9］。而圖3 是常規焊絲焊接后，焊縫晶粒粗大，且存在大量先共析鐵素體，這是導致焊縫沖擊韌性較差的主要原因。

2.3 抗酸管殘余應力控制

制管過程中產生的殘余應力會影響焊管的HIC 和SSCC 結果，制造過程中的內應力會促使微觀裂紋形成，像陷阱一樣吸收著H 原子。因此，選擇適當JCO 成型模具的曲率半徑、較小步長及較多的壓制次數以及合適的擴徑工藝有利于工件的殘余應力更小，有利于抵抗SSCC 應力腐蝕。經過0.8%～1.5% 多種擴徑試驗后，選擇1.0%的擴徑率對X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管進行擴徑，擴徑后管子橢圓度均不大于2 mm，采用環切法測量殘余應力，徑向彈復量和軸向彈復量均為0 mm，環向彈復量均不大于30 mm，低的彈復量有利于提高X65MS 抗酸直縫焊管管體及焊縫的抗SSCC 腐蝕性能［10］。

圖2 Mn-Ni-Mo-Ti-B 抗酸焊絲沖擊斷口SEM

圖3 Mn-Mo-Ti-B 常規焊絲沖擊斷口SEM

3 X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管力學性能

3.1 硬度試驗

由于硬度值對酸性服役焊管HIC 有較大的影響，研究表明，材料強度越高、硬度越大，HIC 敏感性越強［11］。API SPEC 5L 標準也明確要求其管體、焊接接頭的硬度值不應超過250 HV10。由于X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性鋼板中沒有Mo 元素，且碳當量低，采用最優的熱輸入，微觀結構得到了更好的控制，且有效控制了焊接接頭的硬度，也造就了X65MS 抗酸直縫焊管焊接接頭良好的韌性和抗HIC 性。圖4 為焊接接頭硬度分布圖，所有硬度都低于250 HV10，完全符合API SPEC 5L(45版)標準要求。

圖4 焊接接頭硬度分布(HV10)

3.2 拉伸及彎曲性能

表4 為X65MS 抗酸直縫焊管母材(管母)橫向、焊縫拉伸及彎曲性能檢測結果。可見，管母橫向及焊縫強度適中，都符合API SPEC 5L(45 版)標準要求。對焊縫進行正面和反面彎曲試驗，彎軸直徑9 t，彎曲角度180°，試驗后的焊縫或熔合線處都未見任何裂紋或破裂，彎曲性能完全符合API SPEC 5L(45 版)標準要求。

3.3 斷裂韌性試驗

0 ℃下，兩組管母落錘撕裂試驗(DWTT)撕裂剪切面積均為100%，符合API SPEC 5L(45 版)標準要求。X65MS 耐酸管夏比沖擊試驗結果見圖5。由圖5 可見，0 ℃下，管母、熱影響區(HAZ)和焊縫夏比沖擊性能遠高于標準要求，在系列溫度(20，0，-20，-40，-60 和-80 ℃)下進行夏比沖擊試驗，焊縫和HAZ 具有優異的低溫韌性，-80 ℃下的管母平均吸收功370 J 以上，-80 ℃的焊縫和HAZ平均吸收功都在116 J 以上，管體和焊縫都呈現出極好的低溫韌性，裂紋要擴展就所需很大能量，可見，X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管優異的低溫韌性對SSCC 有極強的抗力。

表4 X65MS 耐酸管拉伸及彎曲性能

圖5 X65MS 耐酸管夏比沖擊試驗結果

4 X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管抗酸試驗

4.1 HIC 性能試驗

采用美國CORTEST 集成式HIC 測試系統，依據美國腐蝕工程師協會標準 NACE 標準TM0284-2011(管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法)，對X65MS 抗酸管在硫化氫環境進行試驗檢測，腐蝕溶液為標準A 溶液(硫化氫飽和質量分數為5%NaCl +質量分數0.5%冰乙酸)，pH 值為2.7～3.8，經過96 h 和浸泡試驗后，試樣表面均無氫鼓泡，見圖6 和圖7。剖面金相觀察所有試樣均無裂紋。管母和焊接接頭HIC 性能全部符合API SPEC 5L(45 版)標準要求。由此表明，試制的X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管對HIC 不敏感。

圖6 管母HIC 試驗后宏觀形貌

圖7 焊縫HIC 試驗后宏觀形貌

4.2 SSCC 性能試驗

采用美國CORTEST SSCC 測試系統，依據美國腐蝕工程師協會標準NACE TM 0177-2005(金屬材料在含H2S 環境中抗硫化物應力腐蝕開裂性能試驗方法)進行試驗，腐蝕溶液為標準A 溶液(硫化氫飽和質量分數5%NaCl+質量分數0.5%冰乙酸)，溶液pH 值為2.7～3.8，對開發的X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管管母和焊接接頭在90%SMYS 水平應力下，采用四點彎曲法加載720 h。圖8 和圖9 為加載后的表面宏觀照片，在顯微鏡下放大10 倍對試樣的拉伸面進行檢查，無任何表面開裂或裂紋［12］。結果表明X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管管母和焊接接頭每組試樣在遠高于API SPEC 5L(45 版)標準要求的72%SMYS 應力時不斷裂，顯示出管母和焊接接頭優異的抗SSCC性能。

圖8 管母90%SMYS SSCC 試驗后宏觀形貌

圖9 焊接接頭90%SMYS SSCC 試驗后宏觀形貌

5 結論

(1)采用低Mn、Nb-Cr 合金化設計理念和全流程超潔凈鋼生產工藝技術開發的X65MS 耐酸板材微觀結構決定了鋼板性能及優異的抗HIC腐蝕能力;

(2)通過Mn-Ni-Mo-Ti-B 抗酸焊絲和低應力成型技術，得到了以細小IAF 為主的焊縫組織，管體和焊縫的維氏硬度均小于250 HV10，-80 ℃下母材沖擊功370 J，-80 ℃焊接接頭沖擊功116 J;焊管具有優異低溫韌性，且焊接接頭硬度和強韌性達到良好的平衡;

(3)HIC 試驗結果顯示，管母、焊接接頭表面均未發現氫鼓泡，試樣剖面也無裂紋，表明開發的X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管具有較好的抗HIC 性能;

(4)SSCC 試驗結果顯示，管母、焊接接頭試樣在90%SMYS 應力下均未發生SSCC 開裂現象，表明開發的X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管具有較好的SSCC 性能。

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