具有抗HIC性能的X52無縫管線管的研制

趙波 ，王長順 ，陳克東 ，解德剛 ，鄭云龍 ，袁琴

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021；4.鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠，遼寧 鞍山114021）

我國石油和天然氣產(chǎn)品中H2S的濃度相對(duì)較高，管線管H2S腐蝕情況嚴(yán)重，因此對(duì)管道的抗H2S腐蝕能力要求較高[1]。H2S腐蝕的主要表現(xiàn)為氫致開裂（HIC）。HIC的產(chǎn)生機(jī)理一般認(rèn)為是H2S溶于水形成溶液，與管壁金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫原子，氫原子通過金屬表面，深入管體內(nèi)部，在金屬內(nèi)部缺陷(非金屬夾雜、元素偏析、帶狀組織等)處聚集結(jié)合成氫分子，氫分子體積增大20倍，產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力所致。當(dāng)氫濃度很高時(shí)，顯微缺陷處的氫壓力超過材料的抗拉強(qiáng)度，形成氫致裂紋，當(dāng)管材存在較大殘余拉應(yīng)力時(shí)，HIC的形成會(huì)加劇[2]。HIC可使管線鋼在沒有任何明顯預(yù)兆的情況下突然開裂，其破壞性和危害性極大[3-5]。因此研制開發(fā)出成本低、抗HIC性能優(yōu)良的管線管具有極其重要的意義。

由于具有良好抗HIC性能的無縫管線管應(yīng)用于惡劣的腐蝕環(huán)境中，工作時(shí)間較長，因此要求鋼質(zhì)純凈度高、成分和組織均勻、晶粒細(xì)小，且具有較低的殘余應(yīng)力、碳當(dāng)量和冷裂紋系數(shù)，以及優(yōu)良的焊接性能和抗腐蝕性能。同時(shí)生產(chǎn)過程要盡量簡單、穩(wěn)定、可靠，便于實(shí)施且成本低。為了滿足以上要求，鞍鋼采用在低碳鋼的基礎(chǔ)上加入V、Ti微合金元素的成分設(shè)計(jì)，輔以合適的冶煉、軋制和熱處理工藝，得到了各項(xiàng)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的鋼管，解決了低碳當(dāng)量、低冷裂紋系數(shù)與各項(xiàng)性能匹配的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 成分及工藝設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)

目前，被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用的X級(jí)系列抗HIC管線管的基本標(biāo)準(zhǔn)，主要是美國石油協(xié)會(huì)API Spec 5L《管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。API Spec 5L標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)抗HIC X52 PSL2鋼級(jí)管線管化學(xué)成分要求見表1，力學(xué)和腐蝕性能的要求見表2，3。

表1 X52鋼級(jí)管線管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))要求 %

表2 X52鋼級(jí)管線管抗HIC性能要求

表3 X52鋼級(jí)管線管力學(xué)性能要求

1.2 成分設(shè)計(jì)

合理的化學(xué)成分是獲得優(yōu)良性能的前提，由于C含量高會(huì)降低鋼的韌性和焊接性能，并會(huì)形成帶狀組織，影響鋼的抗HIC性能，因此應(yīng)降低C含量。而由此損失的強(qiáng)度可通過增加Mn含量補(bǔ)償[6]，Mn可以提高鋼的強(qiáng)度、韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。P為雜質(zhì)元素，會(huì)促進(jìn)中心偏析的形成，顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)還會(huì)惡化鋼的焊接性能，應(yīng)盡量降低P含量。S為雜質(zhì)元素，易形成硫化物，S與Mn生成的MnS夾雜是HIC最易成核的位置，加劇了H2S腐蝕的敏感性，因此S含量越少越好。同時(shí)設(shè)計(jì)加入V、Ti微合金元素，其中V可以阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，但過量的V會(huì)降低焊接部分的韌性；Ti可以阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，但當(dāng)含量超過一定量時(shí)，強(qiáng)化效果便不明顯。因此，合理地加入V、Ti合金元素不僅可以提高其力學(xué)性能，而且成本較低?？笻IC無縫管線管的化學(xué)成分見表4。

表4 抗HIC無縫管線管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.3 冶煉及軋制工藝

在冶煉過程中要提高鋼水的潔凈度，降低S含量進(jìn)而降低鋼中MnS等非金屬夾雜物的含量，并控制其形態(tài)，同時(shí)降低易偏析元素Mn和P的含量，避免帶狀組織的形成，得到細(xì)小的晶粒組織對(duì)提高鋼的抗HIC性能有顯著效果。生產(chǎn)中主要通過轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉（LF）、連鑄等工藝過程，獲得良好的冶金質(zhì)量、合理的化學(xué)成分以及優(yōu)化的夾雜物形態(tài)的鑄坯。鑄坯連軋后得到的管坯經(jīng)過環(huán)形爐加熱→穿孔→MPM連軋→脫管→定徑→冷卻→矯直→探傷等工藝流程，最終包裝入庫。在整個(gè)過程中對(duì)加熱溫度、軋制節(jié)奏、變形量、出脫管溫度等關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制。軋制選用Φ185 mm管坯，軋制規(guī)格為Φ114.3 mm×8.56 mm。軋制工藝參數(shù)見表5。

表5 軋制工藝參數(shù) ℃

1.4 熱處理工藝

采用淬火+回火的熱處理制度，以獲得均勻而細(xì)小的組織，避免形成帶狀組織，對(duì)抗HIC性能產(chǎn)生不良影響。淬火后回火的金相組織——細(xì)小彌散的球狀碳化物，具有良好的抗HIC性能[7].熱處理工藝中選擇合適的淬火溫度、淬火時(shí)間、回火溫度、回火時(shí)間等工藝參數(shù)尤為重要。首先對(duì)鋼種CCT曲線進(jìn)行測(cè)定和研究，并由此選定合適的熱處理參數(shù)，制定合理的現(xiàn)場(chǎng)工藝流程，最終獲得性能穩(wěn)定的管線管產(chǎn)品。熱處理工藝參數(shù)見表6。

表6 熱處理工藝參數(shù)

2 組織與性能

依據(jù)以上成份設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的冶煉及軋制工藝、熱處理工藝流程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，對(duì)得到的產(chǎn)品取樣并進(jìn)行金相組織觀察、力學(xué)性能檢驗(yàn)和抗HIC性能檢驗(yàn)。

2.1 金相組織

熱軋態(tài)金相組織如圖1所示，組織為珠光體+鐵素體，晶粒均勻細(xì)小，晶粒度可達(dá)8.5級(jí)。由于熱軋生產(chǎn)中無法完全避免成分偏析及軋制變形形成的帶狀組織，而氫原子易在成分偏析處形成氫分子，并在產(chǎn)生足夠內(nèi)應(yīng)力的情況下形成鼓皰和氫致裂紋，從而對(duì)管線管抗HIC性能產(chǎn)生很大影響。

圖1 熱軋態(tài)金相組織

經(jīng)過淬火+回火熱處理后的組織如圖2所示，為回火索氏體+少量鐵素體組織，消除了帶狀組織，有利于提高材料的抗HIC性能，且由于滲碳體呈顆粒狀，使管線管具有強(qiáng)度高、韌性好的綜合優(yōu)勢(shì)。

圖2 試樣淬火+回火態(tài)組織

2.2 力學(xué)性能

取管線管試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)溫度為常溫、選用縱向試樣，夏比沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)溫度為0℃、選用縱向試樣。試樣尺寸為 5 mm×10 mm×55 mm。 1#（采用淬火溫度900℃，回火溫度550℃）、2#（采用淬火溫度900℃，回火溫度650℃）試樣力學(xué)性能如表7所示，其性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，拉伸性能良好，沖擊性能優(yōu)異。2#試樣由于回火溫度升高，相對(duì)1#試樣拉伸性能略有下降，但沖擊性能提高。

2.3 抗HIC性能

按照NACE-0284-2003標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行了A溶液和B溶液檢驗(yàn)。試驗(yàn)方法為將無應(yīng)力試驗(yàn)樣品置于兩種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溶液的一種中：溶液A或溶液B。溶液A為常溫、常壓下H2S飽和的氯化鈉、醋酸 (NaCl,CH3COOH)溶液；溶液B為常溫、常壓下H2S飽和的合成海水溶液。96 h后，取出試驗(yàn)樣品進(jìn)行評(píng)估。檢驗(yàn)結(jié)果顯示1#、2#試樣均無HIC裂紋，裂紋長度率、裂紋厚度率、裂紋敏感率均為零，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，抗HIC腐蝕性能優(yōu)良。

表7 具有抗HIC性能X52無縫管線管的力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）鞍鋼研制的X52無縫管線管鋼種化學(xué)成分、軋制與熱處理工藝參數(shù)合理可行，且成本較低，可用于規(guī)?；a(chǎn)。

（2）經(jīng)熱處理后產(chǎn)品的金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，組織均勻細(xì)小，避免了可能由帶狀組織引起的HIC裂紋。

（3）該產(chǎn)品完全滿足API 5L標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)強(qiáng)度、韌性、碳當(dāng)量等方面的要求，具備良好的抗HIC性能，可作為抗HIC無縫管線管使用。

[1] 李吶，李晨光，湯智濤，等.抗H2S腐蝕管線管的開發(fā)[J].鋼管，2005，34（5）：13-17.

[2]趙平，安成強(qiáng).H2S 腐蝕的影響因素（I）[J].全面腐蝕控制，2002，16（2）：5-6.

[3] 彭海紅.管線鋼抗氫致裂紋(HIC)性能影響因素淺析[J].寬厚板，2012,18（2）:28-31.

[4]章傳國，鄭磊.成分工藝對(duì)X65抗HIC管線鋼組織性能的影響[J].寶鋼技術(shù)，2015（2）:23-26.

[5] 李大航，沙慶云.抗HIC低錳X56級(jí)管線鋼的試驗(yàn)研究[J].鞍鋼技術(shù)，2013（3）:25-27.

[6]冶金工業(yè)部鋼鐵研究院.合金鋼手冊(cè)（上冊(cè)）第二分冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1974.

[7] 施青，殷光虹，孫元寧.無縫管線管顯微組織與抗HIC性能的關(guān)系[J].寶鋼技術(shù)，2003 （6）：54-57.