L245NS抗硫化氫腐蝕管線管的生產(chǎn)實踐

柴文軍，孔祥春，田曉利，徐啟多，周尚宇

（吉林磐石鑄誠無縫鋼管有限公司，吉林 磐石132329）

2020年12月國務院發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書指出：“提高天然氣生產(chǎn)能力，促進常規(guī)天然氣增產(chǎn)，重點突破頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)，推動頁巖氣規(guī)模化開發(fā)，增加國內(nèi)天然氣供應”［1-2］。因此，隨著我國油氣田的高速開發(fā)，對管線管的需求會與日俱增。作為我國天然氣生產(chǎn)主力的長慶油田和西南油氣田的油氣井大多含有硫化氫腐蝕介質(zhì)，可以預見未來抗硫化氫腐蝕管線管需求量會大幅增長。吉林磐石鑄誠無縫鋼管有限公司為了適應市場需求變化，針對斜軋工藝的特點，特對斜軋管機組如何生產(chǎn)抗硫管線進行了分析與研究，本文介紹了采用斜軋精密軋管機組生產(chǎn)L245NS抗硫化氫管線管的工藝研發(fā)過程［3-6］。

1 成分設計

（1）鋼質(zhì)純凈度要求。

在大多數(shù)情況下，氫誘裂紋都起源于夾雜物，而硫化物應力腐蝕開裂（SSC）的形成與氫致開裂的形成密切相關。為了提高抗氫致開裂和抗SSC能力，必須盡量減少鋼中的夾雜物、精確控制夾雜物形態(tài)。所以，管線鋼采用氧氣頂吹冶煉工藝或電爐冶煉工藝生產(chǎn)純凈鎮(zhèn)靜鋼［7-9］。

鋼中氫是導致白點和發(fā)裂的主要原因。氫含量越高，氫致開裂產(chǎn)生的幾率越大，腐蝕率越高，平均裂紋長度增加越顯著，所以鋼中氫應控制在2×10-6以下［10-11］。鋼中氧含量過高，氧化物夾雜以及宏觀夾雜物增加，嚴重影響管線鋼的潔凈度。鋼中氧化物夾雜是管線鋼產(chǎn)生氫致開裂和SSC的根源之一，對鋼的各種性能都有害，嚴重惡化鋼的各種性能。為了防止鋼中出現(xiàn)較大的氧化物夾雜，冶煉過程中宜采用真空脫氣。

（2）軋制條件對成分設計的影響。

試制的目標產(chǎn)品是L245NS管線管，據(jù)資料介紹，可以通過熱軋工藝直接滿足抗硫化氫腐蝕的要求［12］。但斜軋工藝相對于縱軋工藝而言，變形量較小。如果設計鋼種的碳含量太低，雖有利于提高抗硫化氫腐蝕性能，但可能會導致強度不達標；如果鋼中碳含量和碳當量太高，又會使鋼在熱軋狀態(tài)下生成對氫鼓泡最為敏感的馬氏體組織［13-14］。

文獻［15］指出：在鋼中適量加入可起到固溶強化作用的合金元素Mn，能降低鋼中的γ-α的相變溫度，該溫度的降低具有細化α晶粒，改變相變后的微觀組織，并能增強管線鋼的抗H2S腐蝕性能的作用。鋼材良好的焊接性對保證管道的整體性和焊接質(zhì)量至關重要，控制碳當量是提高焊接性能的有效手段，因此在保證強度的前提下，應盡可能減小碳當量。在嚴格限制碳當量的前提下，鋼中C含量取標準的中上限、Mn含量取標準上限，在提升強度指標的同時，滿足抗硫化氫腐蝕性能。鋼中的S含量對抗H2S腐蝕性能的影響很大，隨著S含量的增加，鋼的抗H2S腐蝕性能變差。結合相關標準要求，S含量不得大于0.008%。L245NS管線管設計鋼種的主要化學成分見表1。

表1 L245NS管線管設計鋼種的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

2 產(chǎn)品試制

（1）工藝流程。此次試制的L245NS PSL2抗硫化氫腐蝕管線管由Φ108 mm精密軋管機組生產(chǎn)，鋼管規(guī)格Φ168 mm×5 mm。工藝流程：管坯鋸斷→管坯加熱→熱軋穿孔→軋管→定徑→冷卻→矯直→切頭尾→液壓試驗→無損檢測→人工檢驗→噴字稱重→包裝入庫。

（2）坯料檢查。按設計的化學成分購入管坯，管坯入廠后進行抽樣復驗，結果合格。

（3）溫度控制。因斜軋工藝本身存在溫升現(xiàn)象，若管坯的開軋溫度過高，會導致晶粒粗大，影響鋼管抗硫化氫腐蝕性能。開軋溫度設定為1 200～1 240℃，穿孔機采取控制軋制節(jié)奏，保證穿孔后毛管溫度在1 150～1 200℃，定徑前采取增大高壓水除鱗壓力對荒管進行降溫，鋼管終軋溫度控制在780～830℃，同時對定徑后鋼管進行風冷［16］。采取上述一系列的溫控措施以期達到細化晶粒的效果［17］。

（4）軋制工藝。對原軋制Φ168 mm×5 mm普通流體管和結構管的工藝參數(shù)進行適當調(diào)整，增大穿孔機的延伸系數(shù)和定徑機單機架減徑率。穿孔機延伸系數(shù)由4.12增加到4.62。精密軋管機軋后荒管規(guī)格由原來Φ178 mm×5 mm調(diào)整到Φ185 mm×5 mm，在定徑機架架數(shù)不變的情況下，將原單機架減徑率1.5%增加到單機架減徑率2.0%。通過增大變形量，提高奧氏體晶粒的破碎程度，以得到良好的金相組織，提高L245NS管線管的力學性能和抗腐蝕性能。

3 試驗結果

按照設計的軋制工藝生產(chǎn)出成品后，對L245NS管線管進行幾何尺寸、拉伸、沖擊、硬度、組織等的檢驗與試驗。

3.1 L245NS管線管幾何尺寸

幾何尺寸按GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》進行檢查，鋼管尺寸偏差符合標準要求，結果見表2。

表2 L245NSPSL2管線管幾何尺寸

3.2 機械性能

（1）拉伸性能。L245NS管線管拉伸性能按ASTM A 370—2019《鋼制品機械試驗的標準試驗方法和定義》進行檢驗，結果滿足標準要求，見表3。

表3 L245NS管線管拉伸性能試驗結果

（2）沖擊性能。L245NS管線管沖擊試樣尺寸3.3 mm×10 mm×55 mm，取樣方向縱向，試驗溫度0℃，沖擊性能按ASTM A 370—2019進行檢驗，結果滿足標準要求，見表4。

表4 L245NS管線管沖擊性能試驗結果

（3）韌-脆轉變曲線。Φ168 mm×5 mm L245NS管線管的韌-脆轉變曲線如圖1所示，試驗在-60～20℃進行，滿足該抗硫管沖擊功標準的工作溫度≥-40℃，該試樣在20℃時的沖擊功達到最大值83 J。雖然沖擊功從-20℃至-30℃急速下降，但仍有很好的沖擊韌性。

圖1 Φ168 mm×5 mm L245NS管線管的韌-脆轉變曲線

3.3 硬 度

按ASTM E 92—2017《金屬材料維氏硬度和努氏硬度的標準試驗方法》要求，沿管體縱向取樣，分別對管體內(nèi)外表面及中間部位進行硬度測試，結果見表5，滿足管體硬度≤250 HV10或22 HRC的要求。

表5 L245NS管線管硬度測試結果 HV10

3.4 顯微組織

試制L245NS管線管的晶粒度級別在8.0～8.5級，組織主要為鐵素體+珠光體；晶粒度差別較小，沒有明顯的偏析現(xiàn)象。L245NS管線管的金相組織如圖2所示。

圖2 L245NS管線管熱軋態(tài)的金相組織

3.5 抗腐蝕性能

中國石油集團石油管工程技術研究院對試制的L245NS管線管進行了氫致開裂試驗及硫化物應力開裂檢驗。

3.5.1氫致開裂試驗

按GB/T 8650—2015《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》對試制產(chǎn)品進行氫致開裂試驗，沿管體縱向制作3個試樣，試樣尺寸（長×寬×厚）分別為100.16 mm×19.87 mm×5.10 mm、100.24 mm×19.90 mm×5.12 mm、100.32 mm×19.92 mm×5.12 mm，試樣先用丙酮清洗，除去表面防銹油，再經(jīng)乙醇清洗后放入試驗容器中進行試驗。試驗溶液由含5.0%NaCl和0.50%CH3COOH的蒸餾水構成，初始pH值為2.7，試驗溫度為23～26℃。首先使用99.999%N2進行除氧處理，除氧后通入99.9%H2S氣體，持續(xù)60 min。氫致開裂試驗共計持續(xù)96 h，試驗開始時測定pH值為2.9，試驗結束后pH值為3.6。試驗結束后，向溶液中通入N22 h以上，除去溶液中的H2S氣體，從容器中取出試樣，用無水乙醇清洗后對試樣進行評定，腐蝕試驗后的L245NS管線管試樣形貌如圖3所示。

圖3 96 h腐蝕試驗后L245NS管線管試樣形貌

待試樣晾干后，使用600號砂紙打磨表面，觀察是否存在氫鼓包。經(jīng)試驗測量，3個試樣的裂紋敏感率、裂紋長度率、裂紋厚度率均為0，滿足GB/T 9711—2017中裂紋敏感率≤2%，裂紋長度率≤15%，裂紋厚度率≤5%的標準要求。

3.5.2硫化物應力開裂性能檢驗（SSC）

按NACE TM 0177—2016《金屬在H2S環(huán)境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試驗的標準試驗方法》和ISO 7539-2∶1989《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第2部分：彎曲試樣的制備和應用》，沿管體縱向制作3個試樣，試樣尺寸（長×寬×厚）分別為118.80 mm×15.00 mm×4.10 mm、115.82 mm×15.00 mm×4.10 mm、115.78 mm×15.00 mm×4.10 mm，試樣先用丙酮清洗，除去表面防銹油，再經(jīng)乙醇清洗后放入試驗容器中進行試驗。試驗溶液由含5.0%NaCl和0.50%CH3COOH的蒸餾水構成，初始pH值為2.7，試驗溫度為23～26℃，大氣壓強為1個標準大氣壓。首先使用99.999%N2進行除氧處理，除氧后通入99.9%H2S氣體，持續(xù)60 min。硫化物應力開裂試驗共計持續(xù)720 h，加載應力為245×0.72 MPa，采用B法的三點彎曲法進行試驗。試驗開始時測定pH值為2.9，試驗結束后測定pH值為3.8。

試驗結束后，向溶液中通入N22 h以上，除去溶液中的H2S氣體，從容器中取出試樣，用無水乙醇清洗后對試樣進行評定。使用顯微鏡在10倍工作段進行觀察，3個試樣均未出現(xiàn)裂紋，腐蝕試驗后的試樣形貌如圖4所示，結果滿足GB/T 9711—2017要求。

圖4 720 h腐蝕試驗后L245NS管線管試樣形貌

合理設計鋼種，并配合相應的加熱和軋制工藝，得到了符合標準要求的L245NS抗硫化氫腐蝕管線管產(chǎn)品。試制證明，在精密軋管機組上生產(chǎn)L245NSPSL2抗硫化氫腐蝕管線管是完全可行的。

4 結 論

（1）通過提升Mn含量及降低C含量，同時加強S的控制，可在降低碳當量的同時保證各項性能指標符合標準要求，同時能夠有效降低鋼中γ-α的相變溫度。

（2）通過合理地增加軋制變形量，加上降低開軋溫度及加大終軋冷卻速度，能夠有效地防止奧氏體晶粒長大，得到良好的金相組織，提高L245NS管線管的力學性能和抗腐蝕性能。