海外油田用X52NS/825冶金復(fù)合鋼管的開發(fā)及性能研究

陳麗娟，尚 峰，樊學(xué)華，于 勇，紀(jì)永波

（1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085；2.北京興油工程項(xiàng)目管理有限公司，北京 100085）

某海外油田原油伴生氣中H2S氣相含量15.38%，CO2含量4.5%，產(chǎn)出水中鹽含量236 g/L，綜合含水率22.1%，單井含水率最高達(dá)70%，運(yùn)行溫度在22～65℃，投產(chǎn)1年后管道出現(xiàn)多處泄漏，其中集中處理站內(nèi)從進(jìn)站匯管到脫水泵前的原油管道無縫鋼管（符合API Spec 5L—2007《管線鋼管規(guī)范》PSL2等級）共出現(xiàn)了74處泄漏。項(xiàng)目改造過程中確定對主體設(shè)備進(jìn)行維修，對站內(nèi)原油管道進(jìn)行整體更換?？紤]到項(xiàng)目苛刻的介質(zhì)工況，確定站內(nèi)油管采用825合金，但材質(zhì)全部采用825合金時(shí)，難以平衡耐蝕性和經(jīng)濟(jì)性，為降低耐蝕合金成本，825雙金屬復(fù)合管是非常好的方案［1］。但國內(nèi)復(fù)合鋼管的研究起步晚［2］，技術(shù)相對不成熟［3-4］，雖然目前已有少量應(yīng)用［5］，但也多是機(jī)械復(fù)合鋼管［6-7］，耐蝕材料多為316L，鮮少有 825冶金復(fù)合鋼管的應(yīng)用［8-9］。

1 復(fù)合鋼管分類及應(yīng)用情況

API Spec 5LD—2015《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》等將復(fù)合鋼管分為內(nèi)覆復(fù)合鋼管（冶金復(fù)合鋼管）和襯里復(fù)合鋼管（機(jī)械復(fù)合鋼管）。冶金復(fù)合鋼管的生產(chǎn)工藝包括堆焊、復(fù)合板焊接、軋制、爆炸成型等；機(jī)械復(fù)合鋼管包括冷拔、滾壓、水壓等［8，10-13］。爆炸成型工藝可同時(shí)生產(chǎn)冶金復(fù)合鋼管和機(jī)械復(fù)合鋼管，其區(qū)別在于界面結(jié)合性質(zhì)［8］：如果達(dá)到內(nèi)外兩種金屬結(jié)合成一體即為冶金成型；如果未熔為一體，僅有一定的結(jié)合力，只能稱為機(jī)械復(fù)合鋼管。

機(jī)械復(fù)合鋼管工藝相對簡單，更具有經(jīng)濟(jì)性［8］。冷拔復(fù)合是將裝配好的基管和內(nèi)襯管通過拉拔方式將內(nèi)襯管復(fù)合到基管的內(nèi)表面，其特點(diǎn)是復(fù)合工藝簡單、有效，復(fù)合鋼管內(nèi)表面圓整度好，但未達(dá)到過盈配合，結(jié)合力小［14］。旋壓和水壓均屬于機(jī)械脹接，特點(diǎn)是生產(chǎn)工藝比較簡單，價(jià)格較便宜。機(jī)械復(fù)合鋼管的缺點(diǎn)是界面非擴(kuò)散結(jié)合，在高溫環(huán)境下會因應(yīng)力松弛而分層失效［4］。

堆焊復(fù)合鋼管的界面為完全的冶金結(jié)合，熔敷率高，成材率高，可滿足在現(xiàn)場應(yīng)用中隨意切割、開孔的要求［15］，但生產(chǎn)率低，是復(fù)合鋼管成型工藝中成本最高的［3，8，15］。復(fù)合板成型焊接法制造冶金復(fù)合鋼管具有基管與覆層冶金結(jié)合好、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，但管體焊縫長、小直徑成型相對困難。軋制復(fù)合是一種傳統(tǒng)制備復(fù)合金屬的方法，具有生產(chǎn)率高、質(zhì)量好、成本低的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用極為廣泛的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，占復(fù)合板總產(chǎn)量的90%，常用于壁厚小于32 mm管材的加工。爆炸焊成型工藝是靠炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波，使內(nèi)管發(fā)生塑性變形，并緊貼外管形成復(fù)合鋼管。爆炸焊成型的復(fù)合鋼管剪切強(qiáng)度比熱軋復(fù)合管大，更適合生產(chǎn)壁厚較大的復(fù)合管，尤其適合厚度超過20 mm的復(fù)合管［3，8，14-17］。

基于以上復(fù)合鋼管成型工藝特點(diǎn)，目前在油氣田地面工程中，通常站外長距離輸送管線因有大量直管段優(yōu)先選用機(jī)械復(fù)合鋼管，而站內(nèi)管線由于規(guī)格多、長度不固定并經(jīng)常存在切割、開孔問題，優(yōu)先采用冶金復(fù)合鋼管。

某項(xiàng)目主要采用的是X52NS/825軋制復(fù)合鋼管，該復(fù)合鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)主要執(zhí)行API Spec 5LD—2015，同時(shí)參考DNV-OS-F101—2017《海底管線系統(tǒng)規(guī)范》和DEP 31.40.20.32-Gen—2013《內(nèi)覆或襯里復(fù)合鋼管》編制了項(xiàng)目使用的技術(shù)規(guī)定。

2 復(fù)合鋼管制造工藝

采用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X52NS/825熱軋復(fù)合鋼板，通過JCO成型及后續(xù)的焊接完成復(fù)合鋼管的生產(chǎn)。X52NS/825復(fù)合鋼管的直徑分別為219.1，273.0，323.9，406.4 mm，基層為X52NS（厚度分別為9.27 mm和9.53 mm），覆層為825合金（厚度為3 mm）。X52NS的組織以鐵素體和珠光體為主，其中針狀鐵素體含量較多，金相組織如圖1所示。825合金是奧氏體組織，是一種鈦穩(wěn)定化的Ni-Fe-Cr合金，由于加入了Ni、Cr、Mo等元素，該合金具有抗氯化物應(yīng)力腐蝕、抗氧化和點(diǎn)腐蝕的能力，同時(shí)還具有抗中性和還原性酸、堿的能力。Cr元素的加入可以使合金表面形成穩(wěn)定的氧化膜，Ni可以增加合金抵抗Cl-應(yīng)力腐蝕開裂的能力，而Mo元素能提高合金的耐點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕能力［18-19］。

圖1 X52NS基材的金相組織

X52NS基材和825覆層的化學(xué)成分見表1～2，其中825合金的化學(xué)成分取自復(fù)合板距內(nèi)覆層表面1 mm處。X52NS/825復(fù)合板的力學(xué)性能見表3，腐蝕性能見表4，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了保證復(fù)合鋼管質(zhì)量，在復(fù)合板出廠前對其進(jìn)行超聲波100%檢測，并進(jìn)行滲透100%表面質(zhì)量復(fù)驗(yàn)。復(fù)合板卷制JCO成型分為彎曲和擴(kuò)徑，彎曲主要流程為預(yù)彎邊→J成型→C成型→O成型，擴(kuò)徑是對整管進(jìn)行適度膨脹變形以提高鋼管幾何尺寸精度及改善管體內(nèi)應(yīng)力［20］。焊接是保證復(fù)合鋼管焊縫質(zhì)量的根本，即要滿足強(qiáng)度性能，同時(shí)也要保證其耐腐蝕性能。因此，在生產(chǎn)制備時(shí)為了得到高質(zhì)量的復(fù)合鋼管，X52NS基層采用的是PAW等離子弧焊+SAW埋弧自動焊的組合焊，PAW焊絲采用 ER49-1，SAW焊絲用 H10Mn2，焊劑采用SJ101；825覆層和過渡層采用GTAW鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝，焊絲采用ERNiCrMo-3。復(fù)合鋼管成型過程中，采用全自動超聲波檢測方式對管體進(jìn)行100%檢測，采用全自動超聲波和射線檢測方式對焊縫進(jìn)行100%檢測，采用手動超聲波和滲透檢測方式對管端100 mm范圍以及管端坡口進(jìn)行檢測。

表1 X52NS基材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 825覆層的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表3 X52NS/825復(fù)合板的力學(xué)性能

表4 X52NS/825復(fù)合板的腐蝕性能

除了管體本身的縱焊縫之外，現(xiàn)場的焊縫質(zhì)量也是保證復(fù)合鋼管成功使用的重要環(huán)節(jié)。為保證現(xiàn)場對接焊縫的耐腐蝕性，對825復(fù)合鋼管管端坡口形狀、尺寸進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，并在復(fù)合鋼管生產(chǎn)的同時(shí)完成管端特定坡口的加工。X52NS/825復(fù)合鋼管的管端坡口形式及尺寸設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 復(fù)合鋼管性能檢測

3.1 力學(xué)性能

圖2 X52NS/825復(fù)合鋼管的管端坡口形式及尺寸設(shè)計(jì)示意

對X52NS/825復(fù)合鋼管進(jìn)行橫截面硬度檢測，檢測位置包含距復(fù)合界面1 mm的基層及覆層、基層的中間壁厚處、基層距外表面1.5 mm處的基材及焊縫，硬度試驗(yàn)壓痕位置如圖3所示，檢測結(jié)果見表5。X52NS/825復(fù)合鋼管的其他各項(xiàng)力學(xué)性能見表6。

圖3 X52NS/825復(fù)合鋼管硬度試驗(yàn)壓痕位置示意

硬度測試結(jié)果顯示，基材的母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度值最高為202 HV10，低于技術(shù)規(guī)定248 HV10的要求；覆層的母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度值最高為226 HV10，低于技術(shù)規(guī)定345 HV10的要求，說明基材和覆層無超標(biāo)硬度點(diǎn)存在。其他力學(xué)性能測試結(jié)果說明，管體和焊接接頭強(qiáng)度、塑性良好?？梢?，X52NS/825復(fù)合鋼管產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠。

表5 X52NS/825復(fù)合鋼管的硬度檢測結(jié)果HV10

表6 X52NS/825復(fù)合鋼管的力學(xué)性能

3.2 基材焊縫的抗HIC及SSC性能

X52NS/825復(fù)合鋼管基層焊縫的腐蝕性能見表7，在5%NaCl+0.5%CH3COOH的溶液中浸泡96 h，試樣表面未出現(xiàn)氫鼓泡，在100倍金相顯微鏡下觀察試樣所有截面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，即每個(gè)截面的CLR，CTR，CSR均為0，表明基層焊縫對氫致開裂不敏感。

表7 X52NS/825復(fù)合鋼管基層焊縫的腐蝕性能

基層焊縫試樣在保證試樣近管道內(nèi)壁承受拉應(yīng)力的前提下，將試樣加載到80%AYS（AYS實(shí)際屈服強(qiáng)度）應(yīng)力水平作用下，在NACE TM 0177—2016標(biāo)準(zhǔn)A溶液中加載720 h后，在10倍放大鏡下觀察，試樣的受拉應(yīng)力面上無任何SSC表面裂紋或開裂，說明X52NS/825復(fù)合鋼管基層焊縫具有優(yōu)良的抗SSC硫化物應(yīng)力腐蝕性能。

3.3 覆層焊縫的耐點(diǎn)蝕和晶間腐蝕性能

按照ASTM G 48—2011（R2015）標(biāo)準(zhǔn)A法，采用FeCl3溶液，對覆層進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度50℃，試驗(yàn)結(jié)束后在20倍放大鏡下觀察，試樣表面無明顯點(diǎn)蝕，腐蝕速率0.23 g/m2。采用ASTM G 28—2002（2008）標(biāo)準(zhǔn)A法，覆層焊縫平均晶間腐蝕速率為0.273 mm/y；采用ASTM A 262—2015標(biāo)準(zhǔn)C法，覆層焊縫5個(gè)周期腐蝕速率的平均值為0.298 mm/y。因此，X52NS/825復(fù)合鋼管具有穩(wěn)定且優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕和晶間腐蝕性能。X52NS/825復(fù)合鋼管覆層焊縫的腐蝕性能見表8。

表8 X52NS/825復(fù)合鋼管覆層焊縫的腐蝕性能

3.4 模擬工況下的應(yīng)力腐蝕性能

按照 ASTM G 39—1999（R2016）及 NACE TM 0177—2016標(biāo)準(zhǔn)，采用四點(diǎn)彎曲法對覆層母材及其縱向直焊縫進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。測試溶液采用現(xiàn)場模擬溶液，試驗(yàn)條件見表9，測試加載應(yīng)力為80%AYS，且試樣近管道內(nèi)壁側(cè)承受拉應(yīng)力，測試時(shí)間720 h，測試溫度65℃。試驗(yàn)后，在10倍放大鏡下觀察試樣，發(fā)現(xiàn)其受拉應(yīng)力面上均無任何SCC裂紋。

試驗(yàn)結(jié)果表明，X52NS/825復(fù)合鋼管滿足海外油田改造工程對管材耐腐蝕性能的要求，在高H2S和高Cl-服役環(huán)境下能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行。這也是國內(nèi)首次將X52NS/825熱軋復(fù)合板用于實(shí)際生產(chǎn)，也是首次將全國產(chǎn)化的X52NS/825熱軋復(fù)合鋼管用于油田生產(chǎn)項(xiàng)目。

表9 模擬環(huán)境SCC試驗(yàn)條件

4 結(jié) 語

國產(chǎn)X52NS/825熱軋復(fù)合板經(jīng)JCO成型及PAW+SAW+GTAW焊接工藝制造出了X52NS/825冶金復(fù)合鋼管，其性能研究結(jié)果表明：

（1）X52NS/825復(fù)合板的化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能及抗腐蝕性能滿足項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）X52QS基材焊接接頭處的硬度與母材相近，低于NACE MR 0175/ISO 15156∶2015及API Spec 5L—2007中標(biāo)準(zhǔn)的要求；825覆層焊縫和熱影響區(qū)的硬度值較母材更小，遠(yuǎn)小于技術(shù)規(guī)定中的要求；

（3）X52NS/825復(fù)合鋼管具有優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕和晶間腐蝕性能，還具有較好的抗開裂性能。