低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管組織性能研究*

趙 勇，黃曉輝，李 超，張 鵬，程 逞，張文韜，蔡文利

（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 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 寶雞石油輸送管分公司，陜西 寶雞721008）

低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管組織性能研究*

趙 勇1,2，黃曉輝1,2，李 超1,2，張 鵬1,2，程 逞2，張文韜3，蔡文利3

（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 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 寶雞石油輸送管分公司，陜西 寶雞721008）

采用低Mn，Nb-Cr抗酸性X65MS熱軋卷板，通過(guò)控制鋼管成型殘余應(yīng)力、焊接熱輸入等措施成功開(kāi)發(fā)出了低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管，并對(duì)其化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能及抗酸性能等進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明，鋼管母材和焊縫的力學(xué)性能良好，HIC和SSCC試驗(yàn)均未出現(xiàn)氫鼓泡和裂紋，性能均達(dá)到或高于API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)要求。

螺旋埋弧焊管；X65MS；抗酸性；力學(xué)性能

油氣輸送管道是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的生命線，也是當(dāng)前石油、天然氣最為經(jīng)濟(jì)、安全的長(zhǎng)距離輸送工具，當(dāng)輸送管道暴露在含有濕H2S的流體介質(zhì)中時(shí)，容易發(fā)生H2S酸性腐蝕，造成管道失效，嚴(yán)重影響管道的服役壽命和安全運(yùn)行，其中氫致開(kāi)裂（HIC）和硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)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[1-2]。

國(guó)外如歐洲鋼管、新日鐵、JFE和蒂森克虜伯等公司在這一方面研究的較早，目前生產(chǎn)的抗酸管主要以X60和X65鋼級(jí)為主，酸性服役pH值可達(dá)到3，而我國(guó)由于起步較晚，酸性服役下的鋼管仍以X52和X60低鋼級(jí)抗酸管為主[2]，無(wú)法滿足高壓大流量輸送和日益增長(zhǎng)的含酸性油氣輸送需求，高鋼級(jí)抗H2S腐蝕管仍需要依賴(lài)進(jìn)口。為了滿足國(guó)內(nèi)酸性油氣輸送需要，同時(shí)兼顧板材經(jīng)濟(jì)性，本研究采用巴西CBMM公司和中信金屬公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的抗酸性能優(yōu)異的低Mn高Nb X65熱軋板卷，相比常規(guī)抗酸板材，Mn含量進(jìn)行了大幅度降低[3-4]，因此，結(jié)合該卷板化學(xué)成分的特殊性，通過(guò)優(yōu)化制管焊接工藝，成功開(kāi)發(fā)出低Mn高Nb抗酸性X65MS鋼級(jí)φ711mm×9.5 mm螺旋埋弧焊管，并按 API SPEC 5L（45版）及附錄 H的要求對(duì)其力學(xué)性能和抗酸性能進(jìn)行了研究分析。

1 試驗(yàn)方法

采用PDA-7000直讀光譜儀對(duì)板材化學(xué)成分進(jìn)行了分析，采用LEICA DMI 5000M光學(xué)顯微鏡觀察母材和焊接接頭的顯微組織，腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。

采用司特爾Durascan-70全自動(dòng)顯微/維氏硬度計(jì)測(cè)量管體和焊接接頭硬度，加載載荷為10 kg，加載時(shí)間60 s。采用ZWICK Z1200kN萬(wàn)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，母材和焊縫均采用板狀試樣，依據(jù)ASTM E8《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸。加工出7.5 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，采用ZWICK PSW750J示波沖擊試驗(yàn)機(jī)依據(jù)ASTM E23《金屬材料缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。采用JL-50000落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)。采用WE-30B電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫做正反彎曲試驗(yàn)，彎軸直徑6t，彎曲角度180°。

依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0284《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開(kāi)裂評(píng)定方法》對(duì)低Mn高Nb X65MS抗酸管在H2S環(huán)境下進(jìn)行HIC試驗(yàn)，腐蝕溶液為標(biāo)準(zhǔn)中的A溶液（飽和H2S溶液+5%NaCl+0.5%醋酸混合溶液）。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溶液的pH值約為2.7，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)pH值約為3.8，浸泡時(shí)間為96 h。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，外表面無(wú)氫鼓泡現(xiàn)象，然后按NACE TM0284要求，放大100倍對(duì)斷面進(jìn)行檢查，觀察是否有HIC裂紋，并按式（1）～式（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）。

式中：a—裂紋長(zhǎng)度，mm；

b—裂紋厚度，mm；

W—試樣寬度，mm；

T—試樣厚度，mm。

依據(jù)NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0177《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，腐蝕溶液為標(biāo)準(zhǔn)中的A溶液。加載方式選用NACE標(biāo)準(zhǔn)中要求的四點(diǎn)彎曲法，在90%屈服強(qiáng)度載荷作用下進(jìn)行SSCC試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溶液的pH值約為2.7，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)pH值約為3.8，試驗(yàn)時(shí)間為720 h。試驗(yàn)完成后，對(duì)母材、焊縫和熱影響區(qū)的SSCC試樣進(jìn)行宏觀檢查，外表面是否有開(kāi)裂現(xiàn)象，然后在顯微鏡下放大10倍對(duì)試樣的拉伸面進(jìn)行觀查，未發(fā)現(xiàn)任何表面開(kāi)裂或裂紋[5]。

2 微觀組織和力學(xué)性能

由于巴西CBMM公司開(kāi)發(fā)的板材采用低Mn，Nb-Cr合金化設(shè)計(jì)理念[3-4]，主要通過(guò)超潔凈鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)中深脫硫技術(shù)、連鑄過(guò)程電磁攪拌和動(dòng)態(tài)輕壓及熱機(jī)械軋制等工藝技術(shù)，嚴(yán)格控制S和P等危害元素的含量，控制夾雜物的數(shù)量、尺寸和成分偏析等現(xiàn)象的產(chǎn)生，確保得到純凈度高、組織均勻細(xì)小、殘余應(yīng)力及冷裂紋敏感系數(shù)低的熱軋卷板[3]。針對(duì)該卷板特性，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司在螺旋埋弧制管過(guò)程中采用自主研發(fā)的Mn-Ni-Mo-Ti-B抗酸焊絲，結(jié)合BGSJ101G焊劑，通過(guò)控制鋼管成型殘余應(yīng)力、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)及控制焊接熱輸入等措施，確保得到強(qiáng)韌性和抗酸性?xún)?yōu)良的管線鋼管。

2.1 卷板化學(xué)成分

X65MS抗酸管卷板的化學(xué)成分見(jiàn)表1。由表1可知，該卷板采用極低的Mn含量，以消除Mn偏析[6-9]，采用高Nb和Cr合金化來(lái)提高強(qiáng)度和細(xì)化晶粒[10-11]，同時(shí)加入少量Cu，Ni和Ti等微合金化元素，既可以使板材具有較低的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)，又可以彌補(bǔ)板材因降C、降Mn導(dǎo)致的強(qiáng)度損失，使鋼板能夠保持較高的強(qiáng)度水平。另外，采用Nb-Cr的簡(jiǎn)單合金設(shè)計(jì)可以降低抗酸板材的合金成本。

表1 X65MS抗酸管卷板的化學(xué)成分 %

2.2 顯微組織

圖1為X65MS抗酸螺旋埋弧焊管的顯微組織。由圖1可知，母材組織以準(zhǔn)多邊形鐵素體為主,外焊焊縫組織以針狀鐵素體和少量先共析鐵素體為主，HAZ組織以粒狀貝氏體和少量鐵素體為主。對(duì)母材顯微組織進(jìn)行多視域的夾雜物觀察，幾乎未見(jiàn)尖角夾雜物，非金屬夾雜僅存在D類(lèi)細(xì)1.5，帶狀組織為0，母材組織均勻一致，晶粒尺寸細(xì)小，晶粒度為12級(jí)，基本實(shí)現(xiàn)了超低偏析、超低夾雜及細(xì)晶化。焊縫形成了大量針狀鐵素體，針狀鐵素體是晶內(nèi)形核的貝氏體，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[12]。HAZ的粒狀貝氏體，雖然韌性不如針狀鐵素體，但強(qiáng)度較高，保證了焊接接頭具有良好的強(qiáng)度。

圖1 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管顯微組織

2.3 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的最高硬度為238～279 HV10（20～27 HRC），硬度越低，臨界應(yīng)力和斷裂時(shí)間越長(zhǎng)，HIC敏感性也越小[13-15]。由于母材中沒(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，從而使焊接接頭具有良好的韌性和抗酸性。表2為母材和焊接接頭硬度測(cè)試結(jié)果，均測(cè)量9個(gè)點(diǎn)，所有硬度低于250 HV10，完全符合API SPEC 5L（45 版）標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管母材和焊接接頭硬度 HV10

表3為鋼管母材和焊縫的拉伸性能。由表3可以看出，母材橫向及焊縫的拉伸性能均符合API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4為鋼管不同位置的沖擊、DWTT及彎曲試驗(yàn)結(jié)果。圖2為鋼管不同溫度下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果和剪切面積。表4和圖2中的沖擊功是將試樣換算成10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊功，可以看出，在0℃下的沖擊功遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，-10℃下鋼管母材平均沖擊功在320 J以上，HAZ平均沖擊功在210 J以上，焊縫平均沖擊功在110 J以上，管體和焊縫都呈現(xiàn)出較好的低溫韌性。焊縫正反彎曲試驗(yàn)，彎軸直徑為6 t，彎曲角度180°，正反面焊縫均未出現(xiàn)裂紋。-15℃下的落錘撕裂剪切面積為100%，沖擊、彎曲及DWTT結(jié)果均符合 API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管母材橫向及焊縫的拉伸性能

表4 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管沖擊、DWTT及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖2 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管不同溫度下的沖擊功和剪切面積

3 耐酸性腐蝕性能

3.1 抗HIC性能

試驗(yàn)后對(duì)母材、焊縫和HAZ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，如圖3所示。剖面上亦無(wú)HIC裂紋，CSR，CLR及CTR均為0，遠(yuǎn)低于API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)中CSR≤2%，CLR≤15%和CTR≤5%的要求。可見(jiàn)，新開(kāi)發(fā)的低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管對(duì)HIC不敏感。

3.2 抗SSCC性能

對(duì)鋼管施加90%屈服強(qiáng)度載荷后，母材、焊縫及HAZ試樣均未發(fā)生SSCC，且無(wú)裂紋，如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果符合API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)中施加72%最小規(guī)定屈服強(qiáng)度應(yīng)力而不斷裂的要求，表現(xiàn)出母材和焊接接頭優(yōu)異的抗SSCC性能。

圖3 HIC試驗(yàn)后宏觀照片

圖4 施加90%屈服強(qiáng)度載荷后SSCC試驗(yàn)宏觀照片

4 結(jié) 論

（1）開(kāi)發(fā)的低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管母材屈服強(qiáng)度為472～495 MPa，抗拉強(qiáng)度為580～583 MPa，焊縫抗拉強(qiáng)度為596～612 MPa；母材和焊縫的硬度均小于250 HV10；0℃下母材的沖擊功為299～337 J，焊縫沖擊功為181～200 J，力學(xué)性能遠(yuǎn)高于API SPEC 5L （45版）標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）HIC試驗(yàn)后母材、焊縫及HAZ均未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡現(xiàn)象，試樣剖面也無(wú)裂紋，表現(xiàn)出良好的抗HIC性能。

（3）SSCC試驗(yàn)后母材、焊縫及HAZ均未發(fā)生SSCC現(xiàn)象，且無(wú)宏觀和微觀裂紋，表現(xiàn)出良好的抗SSCC性能。

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Research on Structure Performance of Low Mn High Nb Acid Resistant X65MS SAWH Pipe

ZHAO Yong1,2,HUANG Xiaohui1,2,LI Chao1,2,ZHANG Peng1,2,CHENG Cheng2,ZHANG Wentao3,CAI Wenli3
(1.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Baoji Line Pipe Company of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

Adopting low Mn,Nb-Cr acid resistant X65MS hot rolled plates to successfully develop low Mn high Nb acid resistant X65MS SAWH pipe,through controlling steel pipe forming residual stress,welding heat input and other measures.The properties of X65MS SAWH pipe were analyzed and studied,including chemical component,microstructure,mechanical performance and acid resistance.The results indicated that the mechanical performance of steel pipe base metal and weld are good,no hydrogen bubble and crack occurre in HTC and SSCC test,and the performance reach or higher than the API SPEC 5 l（45thedition） standards.

SAWH pipe;X65MS;acid resistance;mechanical properties

TE973

A

1001－3938（2015）06-0033-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題，高強(qiáng)度耐腐蝕石油天然氣集輸和輸送用管線鋼生產(chǎn)技術(shù)（2011BAE25B03）。

趙 勇（1988—），男，助理工程師，主要從事油氣管材開(kāi)發(fā)與制管工藝技術(shù)研究工作。

2015-01-06

張 歌