海底用-29 ℃低溫抗酸直縫埋弧焊管研制

趙與越，趙 波，王 斌

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

隨著海底油氣田的開(kāi)采，海底油氣輸送管道已成為廣泛用于海洋石油工業(yè)的重要運(yùn)輸手段［1-3］。海底管道通常埋入海底的泥土中或直接浸泡在海水中，在高緯度地區(qū)的海底，尤其是深水、超深水區(qū)域海底管道需要同時(shí)具備抗低溫的性能和抗酸腐蝕性能。

針對(duì)國(guó)外某海底管道工程用油氣輸送管需求，結(jié)合海底、低溫、腐蝕的服役工況對(duì)該工程用管線鋼和鋼管的性能要求，開(kāi)發(fā)出具有良好的力學(xué)性能、抗低溫和耐酸性的X65MOS 鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板，研制出具有抗低溫和耐酸性的國(guó)產(chǎn)X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 海底用直縫埋弧焊鋼管。

1 海底低溫抗酸管線鋼鋼板的開(kāi)發(fā)

為了滿足海底管道的服役條件，海底管線鋼除了要滿足高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性能和耐酸性能外，還要滿足以下特點(diǎn)：①低的碳當(dāng)量；②低的S、P 含量；③高的形變強(qiáng)化指數(shù)；④低的屈強(qiáng)比；⑤優(yōu)良的縱向拉伸性能；⑥低的鑄坯中心偏析，良好的厚度方向性能，低的斷口分離和層狀撕裂的幾率；⑦優(yōu)異的夏比沖擊、落錘撕裂和CTOD（Crack-tip Opening Displacement，裂縫尖端開(kāi)口位移）性能［3-4］。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，此次試制的X65MOS 鋼級(jí)管線鋼鋼板是采用低C、Mn、Mo、Nb、Ni 系設(shè)計(jì)，適當(dāng)添加Cr 等微合金元素。在制定技術(shù)條件時(shí)，對(duì)成分范圍進(jìn)行了更加嚴(yán)格的限定。研制開(kāi)發(fā)的X65MOS 鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板的化學(xué)成分見(jiàn)表1，X65MOS 鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板力學(xué)性能見(jiàn)表2，鋼板1/2 處金相組織如圖1 所示。

圖1 鋼板1/2 處金相組織

表1 X65MOS 鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 X65MOS 鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板力學(xué)性能

表3 Φ762 mm×22.2 mm X65MOS 鋼管的拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 X65MOS 鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果J

表5 X65MOS 鋼管-30 ℃落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果%

該項(xiàng)目所在海域的最低環(huán)境溫度為-29 ℃，根據(jù)DNV-OS-F101—2013《海底管線系統(tǒng)規(guī)范》“表6-4 C-Mn 鋼管線管夏比V 型缺口沖擊試驗(yàn)溫度”中規(guī)定，當(dāng)鋼板板厚20 mmt≤40 mm 時(shí)，沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)比最低設(shè)計(jì)溫度低10 ℃，因此22.2 mm 壁厚焊管的低溫沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)為-39 ℃。

表6 Φ762 mm×22.2 mm X65MOS 鋼管焊接接頭的硬度測(cè)試結(jié)果 HV10

從表1～2 的數(shù)據(jù)可以看出研制開(kāi)發(fā)的X65MOS鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，同時(shí)嚴(yán)格控制了S、P 等有害元素的含量。從圖1 可見(jiàn)，該鋼板具有良好的組織均勻性，主要組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體，該組織狀態(tài)可以使材料具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到了阻礙作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DWTT 性能的有效控制［5］。

2 海底低溫抗酸直縫埋弧焊管的開(kāi)發(fā)

采用JCO 成型工藝對(duì)研制開(kāi)發(fā)的X65MOS 鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板進(jìn)行鋼管成型預(yù)焊，對(duì)成型預(yù)焊后的鋼管進(jìn)行多絲埋弧焊，對(duì)焊接成型后的鋼管進(jìn)行全管體擴(kuò)徑，將可能對(duì)材料性能產(chǎn)生影響的擴(kuò)徑率波動(dòng)控制在0.2%以內(nèi)［6］。試制出具有抗低溫和耐酸性的X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm海底用直縫埋弧焊鋼管［7-18］。對(duì)管體及焊接接頭的力學(xué)性能、硬度及氫致開(kāi)裂（Hydrogen-induced Cracking，HIC）和硫化物應(yīng)力腐蝕（Sulfide Stress Corrosion Cracking，SSC）試驗(yàn)等方面進(jìn)行了性能分析。

2.1 力學(xué)性能

鋼管的拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出鋼管母材和焊縫均具有很好的拉伸性能，母材的橫向屈服強(qiáng)度平均值為505 MPa；橫向抗拉強(qiáng)度平均值為572 MPa；伸長(zhǎng)率平均值為53%；屈強(qiáng)比平均值為0.89；母材的縱向屈服強(qiáng)度平均值為517 MPa；縱向抗拉強(qiáng)度平均值為586 MPa；伸長(zhǎng)率平均值為51%；屈強(qiáng)比平均值為0.88；焊縫試樣采用去除焊縫余高的圓棒試樣，焊縫的抗拉強(qiáng)度平均值為600 MPa。焊縫的抗拉強(qiáng)度高于母材的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果符合用戶技術(shù)條件的要求。

沖擊功是衡量鋼管止裂性能的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 直縫埋弧焊鋼管焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-40 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4 可以看出外焊縫沖擊功平均值為192 J；內(nèi)焊縫沖擊功平均值為88 J；外焊縫熱影響區(qū)沖擊功平均值為377 J；內(nèi)焊縫熱影響區(qū)沖擊功平均值為354 J。試驗(yàn)結(jié)果均滿足用戶技術(shù)條件要求，說(shuō)明鋼管具有良好的沖擊韌性。

對(duì)X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 直縫埋弧焊鋼管進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該鋼管具有優(yōu)良的DWTT 性能，剪切面積百分比單個(gè)值均在84%以上，平均值均在90%以上，均達(dá)到了用戶技術(shù)條件要求。

X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 直縫埋弧焊鋼管硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，母材最大硬度為200 HV10，熱影響區(qū)最大硬度為194 HV10，焊縫最大硬度為213 HV10，均達(dá)到了用戶要求（≤240 HV10），并有較大的裕量，同時(shí)在熱影響區(qū)存在明顯的軟化。

X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 直縫埋弧焊鋼管母材、焊縫和熱影響區(qū)CTOD 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，母材、焊縫和熱影響區(qū)的CTOD 值均達(dá)到了用戶技術(shù)條件要求。

表7 X65MOS 鋼管CTOD 測(cè)試結(jié)果mm

2.2 腐蝕試驗(yàn)

在焊縫及距焊縫90°、180°的管體母材處的壁厚上、中、下部位制取抗氫致開(kāi)裂試樣，試樣尺寸為20 mm×20 mm×100 mm，依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE TM 0284—2016《管道和壓力容器用鋼抗氫致開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法》（A 溶液）進(jìn)行HIC 試驗(yàn)，試樣浸泡飽和H2S 溶液96 h 后，對(duì)試樣進(jìn)行宏觀檢查，試樣表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡。對(duì)試樣截面進(jìn)行金相剖面，并在100 倍顯微鏡下進(jìn)行觀察，管體及焊縫剖面均無(wú)裂紋，試驗(yàn)結(jié)果表明該鋼管具有較好的抗氫致開(kāi)裂性能。

在焊縫處的壁厚上、中、下部位制取抗硫化物應(yīng)力腐蝕試樣，試樣尺寸為25 mm×5 mm×130 mm，依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE TM 0177—2016《金屬在H2S 環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》（A 溶液）進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置，加載應(yīng)力為405 MPa，試樣浸泡飽和H2S 溶液720 h 后，試樣沒(méi)有裂紋，試驗(yàn)結(jié)果表明該鋼管具有較好的抗硫化物應(yīng)力腐蝕能力。

3 結(jié)論

（1） 通過(guò)研究分析，合理控制合金含量，添加適當(dāng)?shù)奈⒑辖鹪匾约皟?yōu)化的熱機(jī)械控制（Thermo Mechanical Control Process，TMCP）工藝，可以開(kāi)發(fā)出具有良好力學(xué)性能和耐腐蝕的海底用抗低溫和耐酸性的X65MOS 鋼級(jí)、板厚22.2 mm 管線鋼鋼板。

（2） 開(kāi)發(fā)研制的X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 海底用直縫埋弧焊鋼管在-40 ℃試驗(yàn)溫度下外焊縫沖擊功平均值為192 J，內(nèi)焊縫沖擊功平均值為88 J，外側(cè)熱影響區(qū)沖擊功平均值為377 J，內(nèi)側(cè)熱影響區(qū)沖擊功平均值為354 J；-30 ℃剪切面積百分比平均值達(dá)90%以上；焊接接頭的硬度均在213 HV10 以下；在-29 ℃試驗(yàn)溫度下，母材、焊縫及熱影響區(qū)的CTOD 值均在0.19 mm 以上。所有力學(xué)性能指標(biāo)均符合用戶技術(shù)條件的要求。

（3） 通過(guò)對(duì)試制的X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 海底用直縫埋弧焊鋼管進(jìn)行氫致開(kāi)裂和硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明開(kāi)發(fā)的X65MOS 鋼級(jí)Φ762 mm×22.2 mm 海底用直縫埋弧焊鋼管具有良好的耐硫化氫腐蝕性能。