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(guó)，李 穎，張 超

(1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008;2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008;3.中國(guó)石油西北銷(xiāo)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(zhì)之一，嚴(yán)重影響著油氣輸送管線的使用壽命，其中氫致開(kāi)裂(HIC)和硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(chǎng)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(jìn)一步增加，如南美洲、巴西等地。中國(guó)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(chǎng)需求、以及潛在的服役風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)與國(guó)外知名抗酸管生產(chǎn)企業(yè)存在一定差距［2］。開(kāi)發(fā)的X65MS 低Mn 高Nb 抗酸直縫管采用抗酸性能優(yōu)異的低Mn 高Nb熱軋鋼板，由于與以往抗酸鋼板Mn 含量化學(xué)成分大不相同，所以從X65MS 低Mn 高Nb 抗酸管研發(fā)制造過(guò)程中的特殊性出發(fā)，對(duì)成型、焊接、腐蝕等方面進(jìn)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(kāi)發(fā)

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(zhì)元素，并要嚴(yán)格控制管線鋼的帶狀組織和夾雜物大小形狀，這是因?yàn)閹罱M織偏析處易于聚H，尖銳的夾雜物區(qū)域應(yīng)力高易引起氫致開(kāi)裂［3］，所以控制夾雜物數(shù)量和尺度，特別注意對(duì)Ⅱ型MnS 夾雜物的控制，避免夾雜物在軋制過(guò)程中變形成為線狀或長(zhǎng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%)，以消除Mn 偏析，采用高Nb 和Cr 合金化提高強(qiáng)度，采用高溫軋制和碳硫化鈦夾雜物的形狀控制等合金設(shè)計(jì)，可以有效改善鋼板中心線偏析和降低MnS 鏈狀?yuàn)A雜物形成，而且采用Nb-Cr 的簡(jiǎn)單合金設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)后進(jìn)行軋制，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)開(kāi)發(fā)出的X65MS 抗酸性鋼板進(jìn)行多視域夾雜物觀察，未見(jiàn)尖角的夾雜物，非金屬夾雜僅存在DS 類細(xì)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(jiàn)圖1，組織以PF+少量P 為主，晶粒度10，開(kāi)發(fā)出的X65MS 抗酸性板材?；緦?shí)現(xiàn)了超低偏析、超低夾雜及細(xì)晶化。

表1 X65MS 耐酸鋼板化學(xué)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(kāi)發(fā)

結(jié)合X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性焊管化學(xué)成分特點(diǎn)，研發(fā)了適用于低Mn 高Nb 板材的Mn-Ni-Mo-Ti-B 系合金焊絲，其指導(dǎo)思想是通過(guò)控制焊縫淬硬性、相變溫度、晶粒度、晶粒形態(tài)達(dá)到顯微組織的改善［5］，通過(guò)貝氏體強(qiáng)化針狀鐵素體的技術(shù)路線來(lái)滿足X65MS 低Mn 高Nb 焊接性的要求。在降低C 含量的基礎(chǔ)上，添加合金元素Mn，Ni，Mo 以固溶強(qiáng)化方式提高焊縫的強(qiáng)度，降低Bs(貝氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn))點(diǎn)，使PF(多邊形鐵素體)，P(珠光體)和B(貝氏體)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)分離，在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得AF 和GB，并確保對(duì)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(xué)性質(zhì)相同，原子半徑接近，對(duì)基體點(diǎn)陣造成的畸變最小，增加Ni 以彌補(bǔ)降C 降Mn 帶來(lái)的強(qiáng)度損失，提高焊縫疲勞的斥力和低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度。適量添加Ti和B 等微合金元素產(chǎn)生有效夾雜物形核質(zhì)點(diǎn)，控制B 而促進(jìn)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(jù)強(qiáng)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(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 耐酸焊絲成分 w，%

2.2 抗酸管焊材匹配試驗(yàn)

焊絲對(duì)焊縫組織形態(tài)和晶粒大小影響較大，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能變化較大［6-7］。根據(jù)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(biāo)，又能滿足耐蝕性介質(zhì)腐蝕的焊接工藝參數(shù)，采用開(kāi)發(fā)出的Mn-Ni-Mo-Ti-B 抗酸焊絲和常規(guī)X65MS 鋼級(jí)Mn-Mo-Ti-B 焊絲對(duì)X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性焊管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接對(duì)比試驗(yàn)，都選用BG-SJ101G 燒結(jié)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(yàn)研究了不同焊材匹配下的焊縫韌性變化規(guī)律，針對(duì)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(guī)焊絲焊接后，焊縫沖擊功分別為72，65和82 J，可見(jiàn)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(guī)焊絲焊接后，對(duì)焊縫進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)后的沖擊斷口電子掃描電鏡圖。由圖2 可見(jiàn)，抗酸焊絲焊接后，焊縫組織主要為大量晶核內(nèi)針狀鐵素體(IAF)，同時(shí)存在少量B 粒，裂紋遇到IAF 或B 粒時(shí)會(huì)彎曲前行，有時(shí)被阻斷，阻斷后會(huì)重新引起裂紋源并繼續(xù)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(guī)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(dǎo)致焊縫沖擊韌性較差的主要原因。

2.3 抗酸管殘余應(yīng)力控制

制管過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)影響焊管的HIC 和SSCC 結(jié)果，制造過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力會(huì)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(dāng)JCO 成型模具的曲率半徑、較小步長(zhǎng)及較多的壓制次數(shù)以及合適的擴(kuò)徑工藝有利于工件的殘余應(yīng)力更小，有利于抵抗SSCC 應(yīng)力腐蝕。經(jīng)過(guò)0.8%～1.5% 多種擴(kuò)徑試驗(yàn)后，選擇1.0%的擴(kuò)徑率對(duì)X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管進(jìn)行擴(kuò)徑，擴(kuò)徑后管子橢圓度均不大于2 mm，采用環(huán)切法測(cè)量殘余應(yīng)力，徑向彈復(fù)量和軸向彈復(fù)量均為0 mm，環(huán)向彈復(fù)量均不大于30 mm，低的彈復(fù)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(guī)焊絲沖擊斷口SEM

3 X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管力學(xué)性能

3.1 硬度試驗(yàn)

由于硬度值對(duì)酸性服役焊管HIC 有較大的影響，研究表明，材料強(qiáng)度越高、硬度越大，HIC 敏感性越強(qiáng)［11］。API SPEC 5L 標(biāo)準(zhǔn)也明確要求其管體、焊接接頭的硬度值不應(yīng)超過(guò)250 HV10。由于X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性鋼板中沒(méi)有Mo 元素，且碳當(dāng)量低，采用最優(yōu)的熱輸入，微觀結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)結(jié)果?？梢?jiàn)，管母橫向及焊縫強(qiáng)度適中，都符合API SPEC 5L(45 版)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)焊縫進(jìn)行正面和反面彎曲試驗(yàn)，彎軸直徑9 t，彎曲角度180°，試驗(yàn)后的焊縫或熔合線處都未見(jiàn)任何裂紋或破裂，彎曲性能完全符合API SPEC 5L(45 版)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 斷裂韌性試驗(yàn)

0 ℃下，兩組管母落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)撕裂剪切面積均為100%，符合API SPEC 5L(45 版)標(biāo)準(zhǔn)要求。X65MS 耐酸管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5 可見(jiàn)，0 ℃下，管母、熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫夏比沖擊性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，在系列溫度(20，0，-20，-40，-60 和-80 ℃)下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，焊縫和HAZ 具有優(yōu)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(xiàn)出極好的低溫韌性，裂紋要擴(kuò)展就所需很大能量，可見(jiàn)，X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管優(yōu)異的低溫韌性對(duì)SSCC 有極強(qiáng)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(yàn)結(jié)果

4 X65MS 低Mn 高Nb 直縫埋弧焊管抗酸試驗(yàn)

4.1 HIC 性能試驗(yàn)

采用美國(guó)CORTEST 集成式HIC 測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) NACE 標(biāo)準(zhǔn)TM0284-2011(管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開(kāi)裂評(píng)定方法)，對(duì)X65MS 抗酸管在硫化氫環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，腐蝕溶液為標(biāo)準(zhǔn)A 溶液(硫化氫飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%NaCl +質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%冰乙酸)，pH 值為2.7～3.8，經(jīng)過(guò)96 h 和浸泡試驗(yàn)后，試樣表面均無(wú)氫鼓泡，見(jiàn)圖6 和圖7。剖面金相觀察所有試樣均無(wú)裂紋。管母和焊接接頭HIC 性能全部符合API SPEC 5L(45 版)標(biāo)準(zhǔn)要求。由此表明，試制的X65MS 低Mn 高Nb 抗酸性直縫埋弧焊管對(duì)HIC 不敏感。

圖6 管母HIC 試驗(yàn)后宏觀形貌

圖7 焊縫HIC 試驗(yàn)后宏觀形貌

4.2 SSCC 性能試驗(yàn)

采用美國(guó)CORTEST SSCC 測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0177-2005(金屬材料在含H2S 環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能試驗(yàn)方法)進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液為標(biāo)準(zhǔn)A 溶液(硫化氫飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaCl+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%冰乙酸)，溶液pH 值為2.7～3.8，對(duì)開(kāi)發(fā)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(yīng)力下，采用四點(diǎn)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(duì)試樣的拉伸面進(jìn)行檢查，無(wú)任何表面開(kāi)裂或裂紋［12］。結(jié)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(yuǎn)高于API SPEC 5L(45 版)標(biāo)準(zhǔn)要求的72%SMYS 應(yīng)力時(shí)不斷裂，顯示出管母和焊接接頭優(yōu)異的抗SSCC性能。

圖8 管母90%SMYS SSCC 試驗(yàn)后宏觀形貌

圖9 焊接接頭90%SMYS SSCC 試驗(yàn)后宏觀形貌

5 結(jié)論

(1)采用低Mn、Nb-Cr 合金化設(shè)計(jì)理念和全流程超潔凈鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)的X65MS 耐酸板材微觀結(jié)構(gòu)決定了鋼板性能及優(yōu)異的抗HIC腐蝕能力;

(2)通過(guò)Mn-Ni-Mo-Ti-B 抗酸焊絲和低應(yīng)力成型技術(shù)，得到了以細(xì)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(yōu)異低溫韌性，且焊接接頭硬度和強(qiáng)韌性達(dá)到良好的平衡;

(3)HIC 試驗(yàn)結(jié)果顯示，管母、焊接接頭表面均未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡，試樣剖面也無(wú)裂紋，表明開(kāi)發(fā)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(yàn)結(jié)果顯示，管母、焊接接頭試樣在90%SMYS 應(yīng)力下均未發(fā)生SSCC 開(kāi)裂現(xiàn)象，表明開(kāi)發(fā)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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