X65MS直縫埋弧焊管SSC試驗及其影響因素研究

劉耀民，諶鐵強

（1.中油寶世順（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島 066206；2.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326）

X65MS直縫埋弧焊管SSC試驗及其影響因素研究

劉耀民1，諶鐵強2

（1.中油寶世順（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島 066206；2.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326）

為了滿足殼牌公司DEP31.40.20.37－Gen（2010）標準及阿曼石油公司PDO SP2041（2011）附加技術對X65MS鋼級酸性服役條件下直縫埋弧鋼管SSC的要求，從鋼材的成分控制、冶煉、軋制以及鋼管成型、焊接和SSC試驗環節全過程進行嚴格控制，并結合試驗分析SSC性能的影響因素。SSC試驗試樣加載應力按照實際屈服強度計算加載應力，嚴格控制鋼管屈服強度的上限。另外在檢驗過程中需要嚴格控制試樣制備以及試驗過程，才能夠完全滿足SSC性能指標。

焊管；直縫埋弧焊管；X65MS；SSC；屈服強度

Abstract:In order to meet the DEP 31.40.20.37－Gen(2010)standard of Shell and the SSC requirements of X65MS steel grade SAWL pipe under the condition of acid service in PDO SP2041 additional technical clauses of Oman Oil Company(2011),it should strictly control steel composition,smelting,rolling,steel pipe forming,welding and SSC test whole process;combined with the test,the influence factors of SSC performance were analyzed.Calculating load stress of SSC test samples according to the actual yield strength,strictly control the upper limit of steel pipe yield strength.In addition,it should strictly control sample preparation and test process,can fully meet the SSC performance indicators.

Key words:welded pipe;longitudinal submerged arc welding(SAWL)pipe;X65MS;SSC;yield strength

酸性服役條件下直縫埋弧焊管的硫化物應力開裂（SSC）試驗結果是一個非常重要的性能指標，用于評價鋼管在含硫化氫的石油和天然氣環境中具有的抗開裂性能。因此，通常都會在API SPEC 5L附錄H“酸性服役條件PSL2鋼管的訂購”基礎之上，對SSC試驗制定更為嚴格的要求。隨著鋼級的提升，SSC性能指標滿足標準要求變得更為困難。API SPEC 5L（2012）附錄H規范的最高鋼級為X70MS，而目前工程應用主要以X65MS鋼級為主。

1 X65MS直縫埋弧焊管的SSC要求

以中油寶世順（秦皇島）有限公司2013年承接的中東某項目X65MS鋼級酸性服役條件下直縫埋弧焊管的制造合同為例進行分析，該項目產品規格為Φ813 mm×12.5/14.2/17.5 mm，材料鋼級為X65MS。

1.1 SSC試驗相關標準及特殊要求

SSC試驗相關標準及特殊要求見表1。

1.2 項目使用的SSC試驗方法

試樣規格： 256 mm×25 mm×10.7/12.5/15.2 mm（長×寬×厚）（試樣壓平后再加工）。

加載應力：90%實際屈服強度（四點彎曲法）。

試驗溶液：NACE TM177 Solution A。

pH： 初始為 2.7±0.1， 試驗中 pH＜4。

試驗氣體：99.5%純度 H2S（1 bar）。

酸液濃度： ＞2 300 ×10-6。

溫 度：24±3℃。

試驗周期： 720 h（30天）。

表1 SSC試驗相關標準及特殊要求

1.3 SSC試驗用試塊和試樣要求

1.3.1 API SPEC 5L（2007）

API SPEC 5L H7.2.3.1中規定應在用于制造工藝評定的每個樣管上取一個縱向試塊，每個試塊加工成三個試樣。

API SPEC 5L H7.2.3.2中規定除另有協議外，四點彎曲SSC試驗用試樣尺寸（長×寬×厚）應大于115 mm×15 mm×5 mm，對于焊管，在試樣的中心應包括一段直焊縫或螺旋焊縫。試樣取自鋼管內表面，在加工試樣之前將取樣壓平。

1.3.2 DEP31.40.20.37-Gen（2010）

DEP31.40.20.37-Gen（2010） H7.2.3.1補充要求中規定，除非委托人同意，試樣厚度應該是t（壁厚）或15 mm，二者選擇最小值；試樣寬度應大于20 mm。

經過對標準要求的分析，可以得出該項目對于SSC試驗的要求非常嚴格，主要體現在試樣加載應力、驗收極限、試樣厚度和鋼級這四個方面。要想順利通過該項目對于SSC的試驗要求，鋼管母材及焊縫必須具有優良的性能。

2 SSC性能影響因素

綜合來看，影響SSC性能的因素很多，一般可歸納為兩方面：鋼板生產和制管工藝。首先，為了保證鋼板滿足NACE標準檢驗要求，在鋼水冶煉過程中通過工藝優化，實現了極低的C、P、S、N和H含量以及較低的鋼水過熱度；通過純凈鋼工藝以及連鑄輕壓下技術攻關，嚴格控制鋼水的成分；通過TMCP工藝技術得到均勻的組織形態。其次，抗酸管線工程一般以小直徑鋼管為主，小直徑鋼管在制管過程變形量大，局部應力集中。這些特點會對其抗硫化氫腐蝕性能有較大影響，造成鋼板合格但是制管后不合的情況發生。焊接工藝匹配不宜過高，須嚴格控制焊縫強度和硬度，焊縫工藝質量須優于普通管材。試樣制備時，由于具有一定的弧度，在試樣壓下過程中由于操作不當還會額外產生裂紋，影響試驗結果。

2.1 成分設計及夾雜物控制

成分設計是保證鋼板各項性能滿足要求的基礎，X65MS抗酸管線鋼成分設計見表2。由表2可見，X65MS抗酸管線鋼成分設計采用了以極低C和Mn為基礎，嚴格控制S和P含量，另外將鋼中氣體元素N、H和O含量盡量控制在較低水平。保證鋼水潔凈，減輕鑄坯心部偏析，以滿足鋼板抗酸性能要求以及產品低溫韌性。鋼中添加一定量的微合金元素及合金強化元素，滿足產品強度要求，進一步提高鋼板低溫韌性。在保證鋼板強度水平的前提下，低碳當量的設計對于提高鋼板焊接性能有積極作用。

C是最易造成中心偏析的元素，對鋼中碳含量與裂紋長度率（CLR）的統計結果表明，CLR隨著碳含量增加會明顯增加。

表2 X65MS管線鋼成分設計

在X65MS抗酸管線鋼實際生產中，關鍵元素C、P和S含量的統計結果如圖1所示。由圖1可見，鋼中 w（C）分布在 0.03%～0.05%之間，滿足成分設計中保證抗酸性能的要求。w（P）基本控制在130×10-6以內。通過鐵水脫硫預處理、控制轉爐回硫和LF爐精煉深脫硫等工藝措施，使w（S）基本控制在14×10-6之內。另外鋼中 w（N）最大為 50×10-6， w（H）最大為1.5×10-6。

鋼中添加了一定量微合金元素Nb和Ti，在成分設計中作用顯著。Nb對鋼的顯微組織的作用主要是晶粒細化、延遲再結晶、沉淀強化等方面，Nb的添加可以改善鋼的低溫韌性。

圖1 X65MS抗酸鋼中關鍵元素含量統計結果

鋼中夾雜物級別按ASTM E45 A法測定，鋼中A、B、C、D類非金屬夾雜物級別限制見表3。總級別不大于4.5級，板邊25 mm，不允許存在A、B夾雜物。帶狀組織不大于2級。

表3 金屬夾雜物級別限定

鋼板夾雜物實物檢測情況，鋼板A類和C類夾雜物粗系、細系均為0；D類粗系0.5級，細系1.0級；B類夾雜物粗系和細系的評級情況分別如圖2所示。

圖2 鋼中B類夾雜物評級結果

鑄機全程動態軟壓下對于改善鑄坯中心偏析的效果顯著，為生產優質X65MS抗酸鋼板奠定了基礎。對板坯中心偏析采用冷酸侵蝕，并按照YB/T 4003—1997標準評級。300 mm抗酸連鑄坯低倍照片如圖3所示，從圖3的低倍照片中看不到明顯中心偏析線。

圖3 300 mm連鑄坯低倍照片

2.2 焊縫與母材的硬度

硫化氫應力腐蝕在不同強度的管線鋼中均可能發生。一般而言，隨強度級別的提高，產生應力腐蝕的傾向性變大，與強度密切關聯的是硬度。

該項目標準要求鋼管管體硬度：內表面/中心≤220 HV10，外表面≤240 HV10；焊縫及HAZ硬度≤250 HV10。

對此次生產的鋼管進行硬度檢測，焊縫和HAZ硬度檢測結果如圖4所示。由圖4可見，個別內焊硬度＞250 HV10，有部分超標。

圖4 焊縫和HAZ硬度檢測結果

2.3 試樣展平

試樣規格 256 mm×25 mm×10.7/12.5/15.2 mm，試樣中心應包含一段直焊縫或螺旋焊縫。

試樣展平過程如圖5所示。按照API SPEC 5L（2007）H.7.2.3.2（中文版）要求： 試樣取自鋼管內表面，在加工試樣之前壓平。試樣展平過程分為粗展平和精展平。首先在試樣兩側母材加壓，粗展平試樣，加壓時試樣下側放置凹形模具，凹處長度約70 mm，試樣上側加壓點在焊縫中心50 mm以外（大于內夾具間距）；然后在粗展平試樣上下側均放置凹形模具（凹處長度約70 mm）進行精展平，保證焊縫兩側及夾具內支點間距范圍內試樣不直接受壓應力。

圖5 試樣展平過程示意圖

2.4 試樣加載

試樣的應力加載和檢測過程如圖6所示。試驗加載應力值見表4。

圖6 試樣應力加載示意圖

表4 試驗加載應力值

3 SSC試驗失敗分析

在焊接工藝評定時，Φ813 mm×12.5 mm規格SSC試樣焊縫區出現了微裂紋，導致試驗失敗，裂紋形貌如圖7所示。

圖7 Φ813 mm×12.5 mm規格SSC試樣焊縫區裂紋形貌

檢查分析影響SSC性能的所有工藝控制因素，并進行評估，均未發現異常。重點對試驗環節進行分析。

3.1 試樣制備分析

試樣展平步驟如圖8所示。圖8中上面的L形模具下降，下面的L形模具固定托住試樣，直到二者之間的間距為12.5 mm，然后上面的L形模具上升，當兩個L形模具均不接觸試樣時，焊縫處的殘余應力即可確定。殘余應力預測如圖9所示，可以看出試樣SSC裂紋起裂點位置。試樣加載有限元分析如圖10所示，試樣展平所產生的塔身殘余應力高達150 MPa，此殘余應力可能已經增加到了四點彎曲試驗的拉伸應力中。

圖8 試樣展平示意圖

圖9 試樣SSC裂紋示意圖

圖10 試樣加載有限元分析

試樣加工前SSC試驗包括試樣展平見標準ISO3183:2012，眾所周知，塑性變形對鋼的抗SSC性能敏感，而且，在FE分析中顯示出在這個案例中塑性應變導致了裂紋起裂點存在拉伸殘余應力。

根據以上分析，并對照API SPEC 5L（2007）標準的中英文版本進行分析。

API SPEC 5L（2007）（中文版）H.7.2.3.2 要求：除另有協議外，四點彎曲SSC試驗用試樣尺寸（長×寬×厚）應大于 115 mm×15 mm×5 mm， 對于焊管，在試樣的中心應包括一段直焊縫或螺旋焊縫。試樣取自鋼管內表面，在加工試樣之前壓平。

ISO 3183:2007（E）（英文版）H.7.2.3.2 要求：“Samples may be flattened prior to machining test pieces from the inside surface of the pipe”， 其中may be應該是“可以”，并不是“要求壓平試樣”。

3.2 加載應力分析

按照實際屈服強度（AYS）加載應力值與按照名義屈服強度（SMYS）計算的加載的應力值對比，結果見表5。

表5 試樣加載應力對比

對照表5可以看出實際屈服強度和名義屈服強度下加載應力的差異。由于本項目鋼管實際屈服強度大于510 MPa，導致加載應力（90%AYS）達到了460 MPa，基本達到了X70鋼級水平。

分析SSC試驗存在問題，再次試驗。采取原有加載應力，按照ISO 3183：2007（E）條款H.7.2.3.2試樣不再壓平，順利通過了SSC試驗檢測。

4 結束語

X65及以上高等級鋼管的SSC性能對鋼板和鋼管的材料與加工工藝有著嚴格的要求，要滿足DEP31.40.20.37－Gen標準要求，SSC試驗試樣加載應力按照實際屈服強度計算加載應力，需要嚴格控制鋼管屈服強度的上限。另外，在檢驗過程中需要嚴格控制試樣制備以及試驗過程，才能夠滿足SSC性能指標。

[1]高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國石化出版社，2012.

[2]API SPEC 5L（第44版），管線鋼管規范[S].

[3]ISO 3183:2007（E），Petroleum and Natural Gas Industriessteel Pipe for Pipeline Transportation Systems，Second Edition[S].

[4]張國棟，諶鐵強，宋欣，等.高品質抗酸管線X52MS熱軋平板的生產及質量控制[C]//2014年全國軋鋼生產技術會議文集（上），北京：[s.n.]，2014：138-144.

[5]NACE Standard TM0177：2005 Item No.21212，Laboratory Test of Metal for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments[S].

[6]Amendments/Supplements to ISO 3183:2007，Line Pipe for Critical Service[S].

[7]ISO 15156-2—2003，石油與天然氣工業 用于石油與天然氣生產中含H2S環境的材料 第2部分:抗裂碳鋼和低合金鋼與鑄鐵的使用[S].

[8]NACE standard TM0284:2003，Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking[S].

[9]鮮寧，劉道新，白真權，等.彎曲加載評價管線鋼SCC敏感性的有效性探討[J].石油機械，2007，35（12）：59-62.

Research on SSC Test of X65MS Steel Grade Longitudinal Submerged Arc Welding(SAWL)Pipe and Influence Factors

LIU Yaomin1,CHEN Tieqiang2
（1.Zhongyou BSS(Qinhuangdao)Petro-pipe Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,Hebei,China;2.Qinhuangdao Shouqin Metal Materials Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066326,Hebei,China）

TE988.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.006

2016-10-19

編輯：羅 剛

劉耀民（1971—），高級工程師，工程碩士，主要從事焊管工藝、裝備和質量管理。