X65MO 海底管线钢焊接适应性研究

2014-03-10王凤会陈延清郭占山张建强

焊管 2014年9期

王凤会，陈延清，郭占山，张建强，刘宏，齐建

（首钢技术研究院，北京 100043）

0 前言

随着海上油气田的不断开发，海洋石油的开采逐渐从近海向深海发展，海底油气运输管道已成为广泛用于海洋石油工业的重要运输手段，并且成为连续大量输送油气最快捷、最安全、最经济有效的方式。我国海洋资源丰富，石油资源量为240亿t，天然气资源量为14万亿m3，开发和利用这些资源对于油气需要进口的我国具有非常重要的意义。因此，国内相关企业正积极研发海底管线钢[1-3]。

海底管线管除对强度、硬度、延伸率等常规指标有明确规定外，对碳当量、裂纹敏感系数、低温冲击韧性、屈强比、交货状态、坡口加工、定尺以及剩磁等要求亦极为严格，同时对钢管的焊接性能指标也提出了更为严格的要求[4-6]。特别是输气管道，对于焊接区域，如焊缝、熔合线、热影响区的硬度、冲击韧性及组织等方面不但要求严格，而且对焊缝的强度、压扁性能、抗弯曲性能亦有严格的约定。另外，由于海底油气田中H2S含量的增加，对海底管线钢焊接接头的抗氢致开裂（HIC）性能也要求很高[7]。管线管焊接性能的检验，被看作是一种对生产工艺水平、钢种设计的合理性及参数指标控制水平的综合考核手段。为此，对首钢集团公司生产的15.9 mm厚X65MO海底管线钢进行了焊接工艺评定及HIC性能腐蚀试验，以验证微合金化钢种设计及工艺设计的合理性。

1 试验材料及方法

1.1 焊接接头制备

试验材料选择了首钢公司生产的15.9 mm厚的X65MO海底管线钢，材料的主要化学成分见表1，力学性能见表2。埋弧焊对接钢板尺寸为600 mm×200 mm×15.9 mm，坡口为X形，钝边为5 mm，坡口角度内焊为75°、外焊为80°。钢板外焊道预先打底，打底焊接工艺采用CO2气体保护焊，焊丝选用大西洋焊接材料公司生产的H60C焊丝。埋弧焊接采用三丝埋弧焊，埋弧焊丝与焊剂分别选用宝鸡宇生焊接材料有限公司生产的H08DG焊丝与YS-SJ101焊剂，埋弧焊接工艺参数见表3。

表1 X65MO海底管线钢化学成分 %

表2 X65MO海底管线钢力学性能

表3 焊接工艺参数

1.2 试验方法

按照管线钢力学性能检测标准，制取了钢板焊接接头的拉伸、冷弯、冲击和硬度试样，并进行了相关试验。采用WE－100型拉力试验机对焊接接头进行横向拉伸性能测试；采用ZBC2452－3型冲击试验机检测焊接接头各区域冲击吸收功；采用HVS－10Z型维氏硬度计测试焊接接头各区域的硬度，加载力为98N （10 kgf）；采用OLYMPS激光共焦显微镜（OM）对焊接接头显微组织进行观察。焊接接头的硬度测试位置如图1所示。按照CTOD标准，制取了焊缝中心的裂纹尖端张开位移（CTOD）检测试样，在－10℃下评价焊缝的CTOD性能。CTOD试样形状如图2所示，试样槽深沿焊道方向。

图1 焊接接头硬度测试位置

图2 CTOD检测试样形状

1.3 HIC试验

按照NACE标准TM0284—2003对焊缝接头进行HIC试验检测，取样位置及试样实物照片如图3所示，试样尺寸为100 mm×20 mm×15 mm，共取3个试样。

试样腐蚀步骤为：首先准备 5%NaCl溶液，溶液体积与试样表面积的比例应在（3~6）cm3/cm2的范围内；用醋酸调节溶液使pH值达到2.8~3.3，试验过程中溶液的制备及pH值的控制等都需经过委托人的检测与允许；持续向溶液中通入1 h的氮气以除氧，通气速率为100 mL/min；最后将试样窄的一面放在容器的底部，并用直径为6 mm的PTFE（聚四氟乙烯）或者玻璃圆棒分开。

图3 焊接接头HIC试验取样位置及试样照片

根据图3给出的腐蚀试样检测面的要求进行切割，并检查指示表面。对每个截面进行金相抛光、浸蚀，这样可以将裂纹与小的夹杂物、分层、擦痕等区别开来。但浸蚀处理时，只应对截面进行轻微的浸蚀处理，否则可能导致小的裂纹模糊。采用金相显微镜对制备的金相试样进行裂纹检测，裂纹测量方法如图4所示。

图4 裂纹测量方法

测量裂纹的长度和宽度时，相距小于0.5 mm的裂纹应视为一个裂纹，所有以使用不大于100倍的放大镜可区别的裂纹应包括在结论内。但那些全部位于内、外面1 mm内的裂纹除外。在检测某些断面时，可能需要更高的放大倍数，以区分是微小裂纹，还是夹杂物、侧面点蚀或其它的不连续现象。每个金相截面的裂纹敏感性比值（CSR）、裂纹长度比值（CLR）及裂纹厚度比值（CTR）的计算方法分别按式（1）、式（2）和式（3）进行。

2 试验结果及讨论

2.1 焊接接头金相组织

X65MO海底管线钢焊接接头外焊缝的金相组织如图5所示。由图5可知，焊缝金属获得以针状铁素体为主+少量先共析铁素体的组织；粗晶区获得以粒状贝氏体为主+少量针状铁素体的组织；细晶区以等轴状铁素体组织为主；不完全正火区以等轴状铁素体为主+少量针状铁素体的组织；母材的组织为针状铁素体组织。焊接接头各个位置的组织具有优良的塑性，能保证接头具有优良的力学性能。

图5 X65MO海底管线钢焊接接头外焊缝的金相组织

2.2 焊接接头力学性能

X65MO海底管线钢埋弧焊焊接接头拉伸、冷弯、冲击试验结果见表4和表5。焊接接头试样拉伸后的形貌如图6所示，冷弯后试样的形貌如图7所示。焊接接头的硬度测试结果如图8所示。

由图6可知，焊接接头拉伸试样断裂于母材位置，其抗拉强度大于标准要求，说明接头具有良好的拉伸性能。由图7可知，背弯和面弯试验后，弯曲试样任何部位均未发现超过3 mm长度的缺陷，焊接接头塑性良好，具有较好的冷弯性能。由图8可知，焊接接头各个位置的硬度≤270 HV10，且不存在明显的硬度突变，焊接接头不存在脆化带。

表4 焊接接头的拉伸和弯曲性能

表5 焊接接头的冲击性能

图6 焊接接头试样拉伸后的形貌

图7 焊接接头冷弯后的形貌

图8 焊接接头的硬度检测结果

CTOD试验是一种评价焊接接头抗断裂性能的有效方法。表6给出了CTOD试验的检测结果。由表6可以看出，X65MO焊缝CTOD检测的δ均大于技术要求，说明接头焊缝具有较好的抗断裂性能。

表6 焊缝CTOD检测结果

2.3 HIC腐蚀试验结果

焊接接头抗HIC腐蚀试样经过腐蚀后的表面形貌如图9所示。腐蚀试样不同检测面的金相组织如图10所示，图中a，b和c分别为试样不同的检测面，a面和c面只有母材，b面含有焊缝。

由图9可以看出，试样表面均未出现鼓泡。X65MO海底管线钢母材和焊缝接头抗HIC腐蚀试验结果表明，腐蚀试样中均未发现裂纹，所有试样检测面的裂纹敏感性比值（CSR）、裂纹长度比值（CLR）及裂纹厚度比值（CTR）均为0，说明X65MO焊接接头具有优异的抗HIC腐蚀性能。

图9 试样HIC腐蚀后的表面形貌

图10 1#试样不同检测面的金相组织

试验结果表明，X65MO成分设计合理，在含H2S溶液条件下，对比传统钢提高了其耐腐蚀性能，降低表面析氢量和表面H吸附量；母材组织和焊缝组织具有较好的H扩散性能，硬度控制合理，降低了HIC风险；夹杂物尺寸、形态控制合理，未见明显的Ca-Al-O的链状夹杂物，母材1/4处未见明显的夹杂物聚集分布区，中心部位未发现带状偏析带，整体提高了材料和焊接接头的抗HIC性能。