2205雙相不銹鋼連續(xù)管組織與性能分析*

汪海濤 畢宗岳 周云 劉云 趙坤 鮮林云 李紅智

(1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 2. 國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心)

0 引 言

我國(guó)油氣資源大部分含有CO2或H2S，且多數(shù)同時(shí)含有CO2和H2S。在H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)以及井下高溫、高壓共同作用下，會(huì)造成連續(xù)管嚴(yán)重腐蝕破壞，導(dǎo)致穿孔或斷裂。目前，常規(guī)的碳鋼連續(xù)管已經(jīng)不能完全滿足H2S和CO2共存條件下的油氣田開(kāi)發(fā)需求。H2S和CO2共存條件下的管道腐蝕防護(hù)已經(jīng)成為石油與天然氣行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1-7]。

由于H2S和CO2復(fù)雜的交互作用，導(dǎo)致緩蝕劑和電化學(xué)保護(hù)等方式的應(yīng)用有很大局限性，且需要作業(yè)環(huán)境處于嚴(yán)格受控。因此，采用具有較強(qiáng)耐腐蝕性能的不銹鋼材質(zhì)，從提高自身抗腐蝕能力著手，是解決連續(xù)管在H2S和CO2共存條件下腐蝕性問(wèn)題的有效且可靠的途徑。

雙相不銹鋼(Duplex Stainless Steel，簡(jiǎn)稱DSS)指鐵素體與奧氏體各占約50%，較少相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最少達(dá)到30%的不銹鋼。雙相不銹鋼由于雙相組織的特征，能夠兼具奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼各自的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的耐蝕性能[8-12]。因此，為了延長(zhǎng)連續(xù)管在酸性環(huán)境下的使用壽命，防止事故發(fā)生，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司成功開(kāi)發(fā)出了2205雙相不銹鋼連續(xù)管產(chǎn)品。本文對(duì)其性能進(jìn)行了全面研究分析，為連續(xù)管在含H2S和CO2等腐蝕介質(zhì)的酸性油氣田中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料是?31.8 mm×3.0 mm的2205雙相不銹鋼連續(xù)管，該管材采用2205雙相不銹鋼熱軋卷板經(jīng)過(guò)精密成型、激光焊接制管后，再經(jīng)過(guò)在線連續(xù)固溶熱處理制成，其各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。

表1 2205雙相不銹鋼連續(xù)管各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)2205雙相不銹鋼連續(xù)管試樣打磨、拋光后再經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的FeCl3和鹽酸的混合溶液腐蝕。采用Olympus GX71 型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析；應(yīng)用ZIWCK1200拉伸試驗(yàn)機(jī)依據(jù)ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整管拉伸試驗(yàn)，在室溫下測(cè)定管材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。依據(jù)GB/T 246規(guī)定的壓扁試驗(yàn)方法和GB/T 242規(guī)定的擴(kuò)口試驗(yàn)方法，試驗(yàn)后觀察管柱是否存在微裂紋，從而判斷管柱的塑性性能。采用自制的疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)長(zhǎng)度1 524 mm的2205雙相不銹鋼連續(xù)管開(kāi)展焊縫0°和90°位置的低周疲勞試驗(yàn)，檢測(cè)管柱疲勞壽命。試驗(yàn)時(shí)彎曲模半徑為1 219.2 mm, 管材內(nèi)壓34.47 MPa。依據(jù)API 5C3標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)管柱進(jìn)行抗壓性能檢測(cè)，測(cè)量管柱在無(wú)載荷情況下最大抗內(nèi)、外壓的能力。

依據(jù)GB/T 4334對(duì)2205雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫和母材試樣進(jìn)行晶間腐蝕行為檢測(cè)，試驗(yàn)后對(duì)試樣在直徑5 mm的壓模下進(jìn)行180°彎曲，然后在10倍放大鏡下，觀察彎曲試樣外表面有無(wú)晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。開(kāi)展實(shí)際工況下腐蝕速率測(cè)試，將試樣放入實(shí)際工況一定周期后，按照式(1)計(jì)算試樣的平均腐蝕速率。

(1)

式中：m為失質(zhì)量，g；r為材料密度，g/cm3；s為試樣暴露在腐蝕介質(zhì)中的表面積，mm2；t為腐蝕周期，d；v為平均腐蝕速率，mm/a。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織與硬度

圖1為2205雙相不銹鋼連續(xù)管激光焊縫、母材和熱影響區(qū)的金相組織形貌。由圖1可知，2205雙相不銹鋼連續(xù)管組織由鐵素體(γ)和奧氏體(δ)相組成，組織中未發(fā)現(xiàn)明顯金屬間析出物。其中，焊縫內(nèi)奧氏體組織以等軸狀和板條狀形式組成，鑲嵌在基體鐵素體上；母材內(nèi)奧氏體組織晶粒度明顯增大，這是因?yàn)樵谶B續(xù)管制造過(guò)程中，2205雙相不銹鋼卷板中初始軋制態(tài)奧氏體組織在熱處理等加熱工藝作用下，Ni、N、Mn等元素快速向初始奧氏體中富集并促使奧氏體組織長(zhǎng)大。由于激光熔池金屬冷卻速度極快，溫度梯度大，熔池金屬結(jié)晶范圍很小，所以熱影響區(qū)很窄，熔合區(qū)晶粒為細(xì)小的等軸晶。熔合區(qū)處在和母材接觸的半熔狀態(tài)，導(dǎo)熱性能好，使得焊縫在凝固結(jié)晶過(guò)程中能量很快被傳導(dǎo)，該區(qū)域晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，從而形成比焊縫內(nèi)部晶粒尺寸小的等軸晶。

圖1 2205雙相不銹鋼連續(xù)管微觀組織形貌

經(jīng)檢測(cè)，焊縫組織中w(γ)∶w(δ)=43.26∶56.74，母材組織中w(γ)∶w(δ)=45.46∶54.54，焊縫與母材中奧氏體與鐵素體兩相比基本一致。

表2為2205雙相不銹鋼連續(xù)管激光焊縫、熱影響區(qū)(HAZ)和母材的截面微觀硬度分布。由表2可知，焊縫、熱影響區(qū)、母材硬度控制合理且波動(dòng)較小，微觀硬度基本一致。表明該管材在制造過(guò)程中對(duì)硬相鐵素體組織體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了嚴(yán)格控制，管材在硫化氫環(huán)境中發(fā)生表面應(yīng)力開(kāi)裂的敏感性較小。

表2 2205雙相不銹鋼連續(xù)管不同位置微觀硬度 HV0.5

2.2 管材強(qiáng)度

表3為2205雙相不銹鋼連續(xù)管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果。由表3可知，2205雙相不銹鋼連續(xù)管平均屈服強(qiáng)度為641 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為781 MPa，平均伸長(zhǎng)率為34.4%。各項(xiàng)性能均滿足API Spec 5ST中CT80鋼級(jí)連續(xù)管標(biāo)準(zhǔn)要求，表明該管材在具有良好的承重和提拉性能的同時(shí)兼具較高的延伸性。

表3 CT110 級(jí)連續(xù)管的拉伸性能

2.3 塑性

依據(jù)GB/T 242和GB/T 246標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了管材擴(kuò)口試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn)。擴(kuò)口試驗(yàn)采用60°錐頭,擴(kuò)口率為25%,母材及焊縫均未出現(xiàn)裂紋。壓扁試驗(yàn)將管材激光焊縫分別處于0點(diǎn)和9點(diǎn)位置先壓至兩板間距離為10.6 mm(管材外徑的處)處，最后壓至管壁貼合(2倍壁厚)，2205雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫和母材均未出現(xiàn)裂紋或裂縫。試驗(yàn)結(jié)果表明，2205雙相不銹鋼連續(xù)管沿周向具有良好的塑性。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 塑性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2.4 抗擠毀性能

對(duì)?31.8 mm×3.0 mm的2205雙相不銹鋼連續(xù)管在CPT-1外壓擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了擠毀試驗(yàn)。試樣有效長(zhǎng)度為2.5 m，壓力介質(zhì)為水，壓力加載速度低于35 MPa/min，試驗(yàn)依據(jù)API 5C5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。擠毀試驗(yàn)曲線和擠毀后的2205雙相不銹鋼連續(xù)管試樣形貌如圖3所示。由圖3可知，2205雙相不銹鋼連續(xù)管的擠毀強(qiáng)度為117.5 MPa，較CT80鋼級(jí)連續(xù)管標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值88.55 MPa提高33%，表明2205雙相不銹鋼連續(xù)管抗擠毀性能優(yōu)異。

2.5 爆破性能

圖4為?31.8 mm×3.0 mm的2205雙相不銹鋼連續(xù)管爆破試驗(yàn)曲線和爆破后實(shí)物形貌，試驗(yàn)結(jié)果表明，2205雙相不銹鋼連續(xù)管的爆破壓力為144.5 MPa，較CT80鋼級(jí)連續(xù)管標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值80.8 MPa提高78%，表明2205雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫強(qiáng)度和穩(wěn)定性良好，具備承受較高內(nèi)壓的能力，抗內(nèi)壓性能優(yōu)異。

2.6 低周疲勞性能

連續(xù)管在作業(yè)過(guò)程中，由于循環(huán)彎曲形變易引起疲勞損傷，這是連續(xù)管失效的主要原因之一。因此，對(duì)2205雙相不銹鋼連續(xù)管開(kāi)展疲勞壽命評(píng)價(jià)研究至關(guān)重要。

本文對(duì)?31.8 mm×3.0 mm的2205雙相不銹鋼連續(xù)管在內(nèi)壓34.47 MPa、彎曲半徑為1 219 mm(此彎曲半徑為該規(guī)格連續(xù)管作業(yè)車卷筒最小內(nèi)徑，也是連續(xù)管作業(yè)過(guò)程中承受的最小彎曲半徑)條件下進(jìn)行了實(shí)物彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，2205雙相不銹鋼連續(xù)管平均疲勞壽命為1 852次，相比相同規(guī)格、相同壓力和相同彎曲半徑下的碳鋼CT80連續(xù)管，疲勞壽命延長(zhǎng)了78.7%。

2.7 晶間腐蝕試驗(yàn)

在管材制造過(guò)程中，焊接、熱處理等加熱循環(huán)制造工藝中管材的焊縫、母材晶界處易富集M23C6、Cr2N等析出物，沿晶界邊形成貧鉻區(qū)，使貧鉻區(qū)處連續(xù)管的耐蝕性和塑韌性降低，導(dǎo)致在含有H2S和CO2的酸性油氣田使用過(guò)程中易造成管材脆性開(kāi)裂。

對(duì)2205雙相不銹鋼連續(xù)管開(kāi)展晶間腐蝕評(píng)價(jià)，將管材制成20×80 mm的焊縫、母材試樣后，在微沸狀態(tài)的CuSO4溶液中連續(xù)煮沸浸泡16 h再?gòu)澢?，彎曲焊縫、母材試樣。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在10倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面均無(wú)明顯裂紋產(chǎn)生，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，2205雙相不銹鋼連續(xù)管中焊縫、母材均未發(fā)生由金屬間析出物引起的脆性開(kāi)裂現(xiàn)象，管材對(duì)晶間腐蝕不敏感。

圖5 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.8 工況腐蝕試驗(yàn)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某油田區(qū)域內(nèi)典型的H2S、CO2共存的氣井，將2205雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫、母材掛片試樣與油田現(xiàn)用的碳鋼80s油管掛片試樣共同放入氣井內(nèi)，開(kāi)展工況腐蝕對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)周期52 d，結(jié)果如圖6所示。工況如表4和表5所示。試驗(yàn)后按照式(1)計(jì)算試樣腐蝕速率。2205雙相不銹鋼連續(xù)管的焊縫腐蝕速率為0.003 8 mm/a，母材腐蝕速率為0.004 2 mm/a，連續(xù)管焊縫和母材腐蝕速率基本一致，大幅度優(yōu)于油田現(xiàn)用80s油管(腐蝕速率0.045 8 mm/a)。由此可知，2205雙相不銹鋼連續(xù)管適合在該油田含有H2S和CO2共存的氣井中長(zhǎng)期作業(yè)。

圖6 各工況下腐蝕速率結(jié)果對(duì)比

表4 氣相工況

表5 液相工況條件

3 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品性能對(duì)比

在同等條件下，將國(guó)產(chǎn)2205雙相不銹鋼連續(xù)管與Tenaris公司生產(chǎn)的HS80-CRA雙不銹鋼連續(xù)管進(jìn)行了性能對(duì)標(biāo)分析。分析結(jié)果表明，兩者的強(qiáng)度、微觀組織結(jié)構(gòu)和組織兩相比例基本相當(dāng)。但HS80-CRA連續(xù)管中主要耐腐蝕元素Ni、Cr、Mo含量低于國(guó)產(chǎn)2205雙相不銹鋼連續(xù)管。HS80-CRA連續(xù)管化學(xué)成分中Ni、Cr含量較低，Mn含量較高，均屬于典型的N、Mn強(qiáng)化型節(jié)鎳不銹鋼，國(guó)產(chǎn)2205雙相不銹鋼連續(xù)管的耐腐蝕性優(yōu)于國(guó)外HS80-CRA連續(xù)管。

4 結(jié) 論

(1)國(guó)產(chǎn)2205雙相不銹鋼連續(xù)管組織以鐵素體和奧氏體組織組成，組織中未發(fā)現(xiàn)明顯金屬間析出物，焊縫與母材中奧氏體與鐵素體兩相比基本一致。

(2)2205雙相不銹鋼連續(xù)管整體性能良好，屈服強(qiáng)度為641 MPa，抗拉強(qiáng)度為782 MPa；焊縫、HAZ、母材硬度趨于一致；壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)均未出現(xiàn)裂紋；強(qiáng)度、硬度和塑性匹配良好，具有較高的塑韌性能。

(3)對(duì)2205雙相不銹鋼連續(xù)管開(kāi)展的抗擠毀、爆破和疲勞壽命等性能研究，研究表明擠毀強(qiáng)度達(dá)117.5 MPa，爆破壓力高達(dá)144.5 MPa。平均疲勞壽命達(dá)1 852次，比同規(guī)格碳鋼CT80連續(xù)管大幅延長(zhǎng)。

(4)由晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可知，2205雙相不銹鋼連續(xù)管在生產(chǎn)制造過(guò)程中工藝合理，在管材焊縫、母材晶界處未出現(xiàn)明顯的M23C6和Cr2N等金屬間析出物，未造成管材耐蝕性和塑韌性降低。

(5)針對(duì)油田氣井實(shí)際腐蝕工況，開(kāi)展了2205雙相不銹鋼連續(xù)管與現(xiàn)有碳鋼80s油管的腐蝕性能對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明，2205雙相不銹鋼連續(xù)管腐蝕速率遠(yuǎn)低于現(xiàn)有碳鋼管材，更適合在酸性油氣田中長(zhǎng)期服役。