抗酸性X70MS直缝埋弧焊管的研制*

2014-01-23黄晓辉毕宗岳张世涛牛爱军吴佩军陈长青

焊管 2014年6期

关键词：耐酸抗酸钢管

黄晓辉，毕宗岳，牛辉，张世涛，牛爱军，吴佩军，陈长青

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008；

2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008；

3.西安石油大学材料科学与工程学院,西安710065）

0 前言

H2S是石油和天然气中最具有腐蚀作用的有害介质之一，其中氢致开裂（HIC）和硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）是H2S酸性腐蚀的主要形式，制约着油气输送管道的安全服役［1］。我国大部分油气田中含有H2S且浓度含量较高，对抗酸管的需求量较大，特别是载荷H2S，在苛刻的酸性环境中，管线钢的强度级别目前仅限于X65钢级。但是通过技术改进，国外已试制出X70MS抗H2S腐蚀埋弧焊管，大大节约了集输管道建设成本，但制管技术严格保密。因此，笔者旨在开发出国产X70MS高钢级抗H2S腐蚀管，满足国内外酸性油气田高压大流量输送需要。本研究主要从X70MS抗酸管制造中的特殊性，如炼钢要求、化学成分、硬度要求和腐蚀试验等进行了研究。

1 X70MS耐酸管线钢的开发

1.1 炼钢

酸性钢管所用管线钢按照APISPEC 5L（45版）标准要求应为纯净镇静钢，即要求钢材的纯净度较高，保证低的 S和 P等杂质元素含量，并要控制管线钢的夹杂物大小和形状，这是因为夹杂物引起的氢致开裂决定于它的形态［2］。抗酸性X70MS钢板采用全流程超洁净化炼钢技术，采用精料及高效铁水预处理和精炼工艺，严格控制S和P等危害元素含量，控制夹杂物数量和尺度，特别注意对Ⅱ型MnS夹杂物的控制，避免夹杂物在轧制过程中发生变形，或沿轧制方向成为线状或长条状，从而避免管线钢的各向异性，提高其抗HIC性能［3］。

在TMCP轧制工艺中，通过第一阶段的奥氏体再结晶，控制轧制细化奥氏体晶粒，通过在奥氏体未再结晶区的累积形变，增加了相变的形核点，为了细化抗酸性X70MS钢板相变组织和降低带状组织级别，将冷速控制在13～15℃/s，终冷温度控制在580～610℃，通过轧制后快冷得到细化的组织，提高管线钢的抗HIC性能［4］。

1.2 成分设计

X70MS抗酸性钢管化学成分中C、碳当量、P和S含量相对要低，要求较为严格，尤其是对S的控制，而Mn，Si，Nb，V和Ti的变化依不同钢厂自行而定。优良的抗SSCC能力要归于低的碳当量，尤其是低的裂纹敏感系数（Pcm）［5-6］。管线钢中C和碳当量的增加会使钢在热轧状态下生成对氢鼓泡敏感性最为有害的马氏体组织，降低C和碳当量可以提高管线钢的抗H2S腐蚀性能。P易偏析产生带状组织，在热轧过程中形成对HIC敏感的低温转换硬组织带，HIC经常沿组织带扩展。S能促进HIC发生，是极为有害的元素，S与Mn生成的MnS夹杂是HIC最易成核的位置，含S高的管材其抗SSCC性能也较差。Mn用来提高X70MS管线钢的强度，但Mn含量过高对管线钢的焊接性造成不利影响，有可能导致在管线钢铸坯内发生Mn偏析。添加一定的Cr，Ni和Cu可弥补X70MS降C和降Mn造成的强度损失，并增加抗酸性。一般认为，管线钢中单独加入Si，Nb，V和Ti等元素对氢致裂纹敏感性有影响，但是影响不大［7-11］。对X70MS耐酸钢板进行成分设计后轧制，化学成分见表1。对开发出的X70MS进行多视域夹杂物观察，几乎未见尖角的夹杂物，带状组织0.5级，非金属夹杂仅存在DS类细系0.5级，X70MS板材边部和壁厚中心组织均匀一致，金相组织如图1所示，组织以细晶粒B粒+少量P为主，晶粒度11，开发出的X70MS板材基本实现了超低偏析、超低夹杂和超细晶化。

表1 X70MS耐酸钢板化学成分 %

图1 X70MS耐酸钢板金相组织 500×

2 X70MS直缝埋弧焊管制造技术

2.1 管体低残余应力控制

钢管制造过程中的残余应力会严重影响钢管的HIC和SSCC结果，制造过程中的内应力会促使微观裂纹形成，像陷阱一样吸收着氢原子。所以，抗酸管的环向、轴向及径向需具有小的尺寸偏差，更高的尺寸稳定性，这样有利于得到更小的残余应力，有利于抵抗SSCC应力腐蚀。

因此，选择适当预弯模具的曲率半径、铣边坡口角度、JCO成型模具的曲率半径、压制次数以及扩径工艺来控制钢管制造过程的残余应力。尤其是采用整体扩径工艺可降低钢管的残余应力，扩径可以使直缝埋弧焊管残余应力分布更加均匀，幅值更低，经过多种扩径试验后选择0.83%的扩径率对钢管进行扩径，扩径后钢管椭圆度均≤2 mm。采用环切法现场测量残余应力（如图2所示），径向弹复量和轴向弹复量均为0，环向弹复量为29mm，低的弹复量有利于提高X70MS抗酸直缝焊管管体及焊缝的抗SSCC腐蚀性能。

图2 X70MS耐酸管环切法后测量残余应力

2.2 焊接接头组织控制

为抵抗焊接接头软化并降低焊接接头硬度，对X70MS耐酸板材经过焊接参数匹配试验后，采用最优的热输入得到合适的熔深［12］。依据表2焊接工艺参数进行φ813 mm×17.5 mm直缝埋弧焊管试制，试制采用自主研发的两种超低S，P含量高洁净度的焊丝 ZY1和 ZY2，结合林肯995N焊剂进行多丝焊接，焊接过程中，调节焊丝角度和焊丝伸长量，杜绝焊缝噘嘴在内焊趾根部存在的高拉伸应力，使焊接接头具备优良的抗SSCC应力腐蚀能力。

合金元素影响着焊缝的组织和性能，X70MS耐酸管焊缝的化学成分见表3。由表3可知，焊缝中C，Mn，P及S含量也极低，Cr，Ni，Cu及 Mo等合金元素既可提高强度，也可增加X70MS耐酸管焊缝的耐腐蚀性能。

表2 X70MS耐酸直缝焊管试制焊接工艺参数

表3 X70MS耐酸管焊缝化学成分 %

针对X70MS抗酸焊管内焊硬度易于超标现象，选用强度稍低的ZY1焊丝进行内焊。为弥补焊接接头强度损失，选用强度稍高的ZY2焊丝进行外焊。

X70MS耐酸管焊接接头组织如图3所示。经过金相组织分析，焊缝组织为IAF+B粒，内焊趾组织为B粒，HAZ组织为B粒。裂纹遇到IAF或B粒时会弯曲前行，有时被阻断，阻断后会在BF偏多的位置重新引起裂纹源并继续延伸，裂纹的终止处一般也都在IAF或B粒部分［13-14］。所以X70MS抗酸焊管焊接接头中的IAF或B粒具有良好的止裂作用和抗SSCC性能。

图3 X70MS耐酸管焊接接头组织

3 X70MS直缝埋弧焊管力学性能

3.1 硬度检测

对于耐酸性焊管，标准明确要求其母材、焊缝及HAZ的硬度值不应超过250HV10，这是因为硬度值对HIC有较大的影响。研究表明，材料强度越高，硬度越大，HIC敏感性越强。

控制硬度是控制管体和焊接接头抗SSCC敏感性的关键。焊接工艺影响着焊接接头组织形态和晶粒大小，热输入线能量大小通常对焊接接头冲击韧性和硬度变化影响很大［12］。线能量大，冷却速度慢，易于形成晶粒粗大的组织，HAZ区域易于软化，焊接接头硬度虽然降低，但韧性往往会大幅度下降。线能量小，冷却速度快，易于形成脆硬组织，焊接接头硬度往往会超过250HV10。采用最优的热输入，得到了如图4所示的焊接接头硬度分布图，焊接接头硬度都低于250HV10，符合APISPEC 5L（45版）标准要求。

图4 焊接接头硬度分布图

由于钢板中没有Mo，且碳当量低，微观结构得到了更好的控制，也获得了理想的母材和焊缝硬度差异，焊缝中IAF和HAZ中B粒的存在是硬度波动的原因，也造就了焊接接头良好的韧性和抗HIC敏感性。

3.2 拉伸及弯曲性能

表4为X70MS管母横向、焊缝拉伸及弯曲性能检测结果。由表4可见，管母横向及其焊缝强度适中，都符合APISPEC 5L（45版）标准要求。对焊缝进行正反弯试验，弯轴直径180 mm，弯曲角度180°，试验后的母材、HAZ和焊缝或熔合线处都未见裂纹或破裂，符合APISPEC 5L（45版）标准要求。

表4 X70MS耐酸管拉伸及弯曲性能检测结果

3.3 断裂韧性

在0℃下，两组管母DWTT剪切面积均为100%，符合APISPEC 5L（45版）标准要求。图5为X70MS耐酸管夏比冲击试验结果，由图5可见，0℃下，母材、HAZ和焊缝夏比冲击性能远高于标准要求，在不同温度下进行夏比冲击试验，焊缝和HAZ具有良好的韧性，-60℃的平均吸收功分别为86 J和414 J，呈现出很好的低温韧性，裂纹要扩展就需很大能量，可见，焊接接头优异的低温韧性对SSCC有极强的抗力。

图5 X70MS耐酸管夏比冲击试验结果

4 X70MS直缝埋弧焊管腐蚀性能

在酸性钢管中氢致开裂试验（HIC）及硫化物应力腐蚀开裂试验（SSCC），是两项极其重要的试验指标，上述板材及焊接接头的化学成分、组织和硬度等要求都是为了保证HIC和SSCC试验结果。在APISPEC 5L中，HIC试验应在NACE TM0284规定A溶液（环境）中进行，要求裂纹敏感率（CSR）≤2%，裂纹长度率（CLR）≤15%，裂纹厚度率（C TR）≤5%。SSCC试验应根据NACE TM0177规定的A溶液中进行720 h，试样的应力加载值为72%ReL，从试验介质中取出SSCC试样后，在10倍显微镜下对试样的拉伸面进行检查，并且要求拉伸表面不出现任何表面开裂或裂纹［15］。

4.1 HIC性能试验

依据美国腐蚀工程师协会标准 NACE TM 0284—2011《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》，对X70MS抗酸管在H2S环境进行试验检测，溶液初始pH值为2.7，试验结束时，测定溶液pH值为3.7，浸泡96 h后，对X70MS抗酸管管母和焊接接头的HIC试样进行宏观检查，外表面未发现有氢鼓泡现象。对金相剖面进行微观评定观察，管母和焊接接头每组3个HIC平行试样中，剖面上均无HIC裂纹， HIC裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）和裂纹厚度率（CTR）的测试结果均为0（见表5），管母和焊接接头HIC性能全部符合APISPEC 5L（45版）标准要求，表明试制的X70MS焊管对HIC不敏感。

表5 X70M S耐酸管HIC敏感参数测试结果

4.2 SSCC性能试验

依据美国腐蚀工程师协会标准 NACE TM 0177—2005《金属材料在含H2S环境中抗硫化物应力腐蚀开裂性能试验方法》进行试验，加载方式采用四点弯曲法，腐蚀溶液为标准A溶液（硫化氢饱和5%NaCl+0.5%冰乙酸），试验前溶液pH值为2.7，试验后pH值为3.9。对开发的X70MS抗酸管管母和焊接接头分别在72%ReL和90%ReL水平应力下加载720 h。表6为X70MS耐酸管试样SSCC试验结果，图6为X70MS抗酸管加载后的表面宏观照片。结果表明，X70MS抗酸管管母和焊接接头每组试样分别施加72%ReL和90%ReL拉伸应力时，全部试样均未发生SSCC开裂现象，管母和焊接接头SSCC性能全部符合APISPEC 5L（45版）标准要求。尤其是在90%ReL拉伸应力下，管母和焊接接头均未发生SSCC开裂现象，显示出X70MS抗酸管管母和焊接接头优异的抗SSCC性能。