HP2 13Cr无缝钢管的研制开发

康喜唐，聂　飞

（山西太钢不锈钢钢管有限公司，山西 太原 030008）

HP2 13Cr无缝钢管的研制开发

康喜唐，聂飞

（山西太钢不锈钢钢管有限公司，山西 太原 030008）

从成分设计、冶炼、径锻、挤压及热处理工艺流程等方面，详细介绍了采用“热挤压+调质热处理”工艺生产HP2 13Cr无缝钢管的方法。实物性能检测结果表明：该工艺生产的HP2 13Cr无缝钢管力学性能及金相组织控制较好，完全满足ISO 13680∶2010标准要求，在高含CO2、H2S酸性环境中均为轻度腐蚀，耐蚀性好。

无缝钢管；HP2 13Cr；热挤压；调质热处理；金相组织；力学性能；腐蚀速率

“十二五”期间，我国油气当量将达到3亿t（不包括国外部分）或以上。随着油气田开采数量逐年增加，且逐步向深井、海下、复杂工况条件的区域发展，使用的油井管线在数量需求增长的同时，品种质量要求也在不断提高。为了解决油井管在CO2、H2S、Cl-共存条件下的耐腐蚀难题，国内外油井管生产企业相继开发了2Cr13、HP2 13Cr、双相不锈钢、铁镍基及镍基合金油井管，以满足不同井况的需求。其中，HP2 13Cr主要用于高CO2分压及低H2S分压环境，通常H2S分压在0.003 MPa以下可安全使用［1-2］。

与普通马氏体不锈钢相比，HP2 13Cr碳含量大幅度降低，w（C）最高为0.03%，增加了w（Ni）（4.5% ～5.5%）和w（Mo）（1.5%～2.5%），使其在强度、硬度提高的同时，韧性得到改善。HP2 13Cr克服了传统马氏体在焊接过程中的应力裂纹敏感性以及可焊性差等缺点，耐CO2、H2S的腐蚀能力大幅度提高［3-6］。我国HP2 13Cr无缝钢管的研发起步较晚，国内油田需求的HP2 13Cr管材基本依赖进口，不仅耗费巨资，且制约我国石油工业发展，甚至威胁到国家能源安全。

本文将重点介绍HP2 13Cr无缝钢管的研制开发情况。

1　 HP2 13Cr无缝钢管的技术要求

依据ISO 13680∶2010《石油和天然气工业用作管套、管道和接箍的耐腐合金无缝钢管交货技术条件》及NACE RP0775—1991《油田生产中腐蚀挂片的准备、安装及实验数据的分析》标准要求，HP2 13Cr无缝钢管的化学成分要求见表1，性能要求见表2。

表1　HP2 13Cr无缝钢管的化学成分（质量分数）要求　%

表2　HP2 13Cr无缝钢管的性能要求

2 HP2 13Cr无缝钢管工艺研究

2.1工艺流程

与普通13Cr无缝钢管相比，HP2 13Cr无缝钢管在成分控制、金相组织、腐蚀性能等方面均有更为严格的要求。与国内外通用的热轧工艺不同［7-8］，本项目采用热挤压工艺进行生产。

油管最常用的规格为Φ73.02 mm×5.51 mm，结合成品规格尺寸，设计全线的生产工艺流程如下：冶炼（电炉+VOD冶炼）→制坯（模铸+径锻，坯料为Φ230 mm圆棒）→制管（挤压+调质）→成品（检验评价）。

2.2关键技术

2.2.1成分设计

根据舍弗勒组织图［9-10］，不锈钢主要合金及杂质元素含量均可折算成相应的Cr、Ni当量，Cr、Ni当量决定着产品的组织形貌。HP2 13Cr为典型马氏体不锈钢2Cr13的改良品种，在2Cr13基础上进行了成分添加及含量控制。

Cr是保证钢管表面的Cr2O3钝化膜形态的主要元素，在成分设计中Cr含量取中上线。

Mo能显著提升不锈钢的耐点蚀能力，且能与Cr的氧化膜更加致密，进一步提升材料的耐蚀性能，但Mo元素容易造成偏析，因此在成分设计中加入的w（Mo）为2%左右。

Ni是奥氏体形成元素，一方面可以保证材料在高温下的奥氏体组织，促成马氏体的完全转变；另一方面，Ni的存在可以促成逆变奥氏体的适量形成，确保马氏体组织中小量奥氏体的形成，增强材料的韧性。另外，Ni亦可以提升材料的耐蚀性能。本材料中加入质量分数为5%左右的Ni元素。

Ti优先与C形成TiC，避免Cr23C6的形成，可有效缓减不锈钢的晶间腐蚀倾向。但Ti元素会影响钢液的流动性，容易造成成分的局部偏析，因此Ti元素的过量加入会影响到组织的均匀性。考虑到HP2 13Cr为低碳马氏体不锈钢，因此w（Ti）可取标准要求的下线值，即0.01%～0.02%。

在杂质元素方面，为保证足够的耐蚀性能，对影响耐蚀性能的C、P、S元素均进行严格的控制，其中w（C）要求在0.02%以下，w（P）要求在0.02%以下，w（S）要求在0.003%以下。

2.2.2冶炼工艺

由于HP2 13Cr不锈钢的w（C）在0.03%以下，属超低碳不锈钢；因此炼钢采用“电炉+VOD”两步法冶炼工艺。

电炉化钢使用纯合金或五害元素少的原料，以保证钢质的纯净度。为防止贵重合金氧化，使用大容量变压器加速熔化。熔池熔清后立即吹氧脱碳，脱碳速率控制在每分钟0.03%w（C）。脱碳结束后，向钢液中加入微碳铬铁进行钢液降温，控制钢液温度在1 700℃以下。使用低碳硅铁进行氧化铬还原，待钢渣呈褐灰色时进行扒渣，扒渣后转到VOD进行精炼。

VOD精炼末期底吹氩气流量增至1 200 L/min，促进脱碳、脱氮反应，最终可控制w（C）在0.02%以下。模铸过程采用Ar气保护，防止钢水二次氧化，并控制浇注时间及保护渣用量，防止铸坯后续缺陷产生。HP2 13Cr无缝钢管的实际化学成分见表3。

2.2.3径锻工艺

在HP2 13Cr无缝钢管的成分中，铁素体相的形成元素主要有Cr、Mo等，奥氏体相的形成元素主要有Ni、C等。HP2 13Cr无缝钢管在加热和冷却过程中均存在相变，文献［11］的研究表明，TGOG13Cr-1的奥氏体化转变开始温度AC1与结束温度AC3分别为720℃、860℃，温度达到1 150℃时转变结束。

表3　HP2 13Cr无缝钢管的实际化学成分（质量分数）　%

文献［12］对0Cr16Ni5Mo1钢的加热工艺及金相组织研究表明，该钢种在1 220℃以上长时间加热时，组织中的δ铁素体即开始增加，当温度达到1 270℃时，δ铁素体含量可达28%，并且沿晶界呈网状分布。

由于δ铁素体中的C元素在高温下溶解度大，快速冷却（正火或淬火）过程中，C元素就会过饱和溶解于其中。如果缓冷，铁素体就会分解为σ相和γ相，σ相或γ相周围会形成贫Cr区，贫Cr区的优先腐蚀使得铁素体区优先腐蚀。因此，控制HP2 13Cr钢中的δ铁素体含量是该钢种的主要指标。ISO 13680∶2010标准对残余铁素体进行了定量要求，需在5%以下。

为保证尽量减少δ铁素体含量，方便后续钢管的性能控制，本项目采用8 t模铸锭，轧制开坯成400 mm×400 mm方锭，轧制温度控制在1 100～1 200℃；然后径锻成Φ230 mm圆锭，径锻温度与轧制温度一致；径锻后采用700℃保温8 h以上，再随炉冷却至低于300℃后出炉空冷。

2.2.4挤压工艺

通常HP2 13Cr无缝钢管的生产工艺为穿孔+热轧成型，热挤压工艺与穿孔+热轧工艺相比，变形量大，挤压比可以达到20以上，且成型过程受三向压应力作用组织致密，晶粒较细，通常晶粒度在8级以上［13］。

本项目的热挤压工艺温度设定为1 150～1 180℃，具体工艺参数如下：

挤压机60 MN卧式挤压机

预热温度800℃

感应加热温度1 150℃

挤压前规格Φ88.9 mm×6.45 mm

挤压比21

挤压速度100～120 mm/s

挤压力31 MN

对挤压后管材的组织进行分析，δ铁素体残余较多，形态也非常明显，铁素体呈条带状分布在马氏体板条间，如图1所示。金相分析表明，挤压后管材的铁素体含量在6%左右，已经超出ISO 13680∶2010标准要求，影响材料的使用寿命和服役安全；因此，需通过后续的热处理进行组织调整，将铁素体含量控制在1%以内。

图1　挤压态HP2 13Cr无缝钢管的金相组织

2.2.5热处理工艺

对于13Cr钢而言，正火马氏体组织应力大，且δ铁素体易分解出σ有害相，在服役过程易发生严重的失效行为；因此，热挤压后的HP2 13Cr管材均需进行后续的调质处理（正火+回火）。正火温度在AC3线以上，一方面可以消除热挤压产生的组织应力，另一方面可以消除δ铁素体的有害组织；回火的作用是使马氏体中过饱和的C元素析出，变成一种回火马氏体形态，回火后硬度明显降低，韧性明显增强。

HP2 13Cr无缝钢管的正火温度不能选取过高，过高的正火温度会使大量Cr、Ni、Mo等元素溶于奥氏体基体，降低马氏体开始形成温度，从而造成强度偏低；另一方面随着正火温度的升高，晶粒会明显的长大和粗化，同时会产生δ铁素体，降低了材料的塑性。

图2所示为HP2 13Cr无缝钢管经两种不同正火温度处理后的金相组织，正火态的组织为板条状马氏体，可以看到清晰的原始奥氏体晶界。1 000℃正火后，挤压态所产生的条带状δ铁素体依然存在，无明显溶解迹象；正火温度升至1 050℃后，δ铁素体由条带状变成不连续的点状，可以看到明显的溶解现象。同时，随着正火温度提升，晶粒度明显增加，由原始的8级晶粒长大至5级左右。考虑到细晶粒的强化作用且可以提升韧性，正火的温度不能再继续提升。

图2　HP2 13Cr无缝钢管经两种不同正火温度处理后的金相组织

回火温度的选取如果过高，会析出大量的化合物，溶质原子产生脱溶，固溶强化作用减弱，且随着化合物的聚集长大，强度降低、延伸率升高趋势变得缓慢；回火温度偏低，溶质原子没有大量脱溶，硬度和强度高，延伸率偏低。本项目采取600℃回火2 h的工艺，在马氏体晶界上及晶粒内部析出碳化物，如图3所示，通过降低马氏体的过饱和度，组织形态呈现典型的回火马氏体形态。

图3　HP2 13Cr无缝钢管回火后的金相组织（600℃，2 h）

3　实物性能

3.1力学性能

生产的HP2 13Cr无缝钢管的力学性能见表4。

3.2平均腐蚀速率

表4　HP2 13Cr无缝钢管的力学性能

在含CO2及H2S/CO2共存条件下，利用高温高压釜对HP2 13Cr无缝钢管试样进行失重试验，试验条件及结果见表5。利用试验前后试样的质量差计算材料的平均腐蚀速率，给出的每个结果都是用3个平行试样计算出来的平均值。依据 NACE RP0775—1991对腐蚀程度的判定，HP2 13Cr无缝钢管在3种模拟试验条件下均为轻度腐蚀。图4所示分别为3种试验条件下试样表面的微观腐蚀形貌。在试验1条件下，试样表面均匀平整，未见明显的腐蚀坑。在试验2条件下，试样表面形貌有微小的点蚀坑，说明在温度升高至130℃且Cl-浓度为10×104mg/L时，试样表面出现点蚀现象，通过扫描电镜在放大1 000倍条件下测量，点蚀坑最大深度约0.8 μm，依据NACE RP0775—1991标准中点蚀的计算方法和对点蚀程度的规定，点蚀速率约为0.04 mm/a，点蚀程度为轻度腐蚀。试验3是在H2S/CO2共存条件下进行的腐蚀试验，试验在低温条件下进行，试验后试样表面均匀平整，可见打磨痕迹，说明腐蚀产物膜相对较薄。分别对不同条件下产物膜进行能谱分析，由于腐蚀产物膜较薄，基本都显示基体元素成分。

3.3表面质量及尺寸检验

热挤压生产的HP2 13Cr无缝钢管表面光洁，无肉眼可见缺陷；超声波探伤对比深度为壁厚的5%，一次检验合格率达到95%以上。Φ73 mm× 5.51 mm规格HP2 13Cr无缝钢管成品尺寸见表6。

表5　高温高压腐蚀试验条件及结果

图4　3种试验条件下试样表面的微观腐蚀形貌

表6　Φ73 mm×5.51 mm规格HP2 13Cr无缝钢管成品尺寸

4　结　论

（1）采用“热挤压+调质热处理”工艺生产的HP2 13Cr无缝钢管，其成品管性能满足 ISO 13680∶2010标准要求。

（2）热挤压后HP2 13Cr无缝钢管的组织存在明显的条带状δ铁素体，通过后续的调质热处理，δ铁素体可以溶解，总量可控制在1%以下。不同正火温度对δ铁素体及晶粒度的形态均有明显影响，本项目选用1 050℃的正火工艺。

（3）利用高温高压釜对HP2 13Cr无缝钢管试样在含CO2及H2S/CO2共存条件下进行失重试验，其在高含CO2、H2S条件下均为轻度腐蚀。

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R＆D of HP2 13Cr Seamless Steel Pipe

KANG Xitang，NIE Fei
（Shanxi Taigang Stainless Steel Tubes&Pipes Co.，Ltd.，Taiyuan 030008，China）

Detailed here is the manufacturing method of“hot extrusion+quenching and tempering”for the HP2 13Cr seamless steel pipe，involving such process flows as chemical composition design，melting，diameter forging extrusion and heat treatment.Results from relevant physical performance detections and inspections show that the said pipe as manufactured with the above mentioned method is in possession of good mechanical properties and well-controlled metallographic structure，and in full compliance with relevant requirements as specified in ISO 13680∶2010，and is capable of well serving in high-CO2and H2S-containing environment due to its slight corrosion，i.e.，good corrosion resistance.

seamless steel pipe；HP2 13Cr；hot-extrusion；quenching and tempering；metallographic structure；mechanical properties；corrosion rate

TG335.71

B

1001-2311（2015）03-0031-05

2014-12-03；修定日期：2015-02-26）

康喜唐（1970-），男，硕士，高级工程师，总工程师，从事不锈钢钢管生产、技术与质量管理工作。