具有抗HIC性能的X52无缝管线管的研制

2018-02-06赵波王长顺陈克东解德刚郑云龙袁琴

鞍钢技术 2018年1期

赵波，王长顺，陈克东，解德刚，郑云龙，袁琴

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009；2.鞍钢集团钢铁研究院海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁鞍山 114009；3.鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁鞍山114021；4.鞍钢股份有限公司无缝钢管厂，辽宁鞍山114021）

我国石油和天然气产品中H2S的浓度相对较高，管线管H2S腐蚀情况严重，因此对管道的抗H2S腐蚀能力要求较高[1]。H2S腐蚀的主要表现为氢致开裂（HIC）。HIC的产生机理一般认为是H2S溶于水形成溶液，与管壁金属发生电化学反应产生氢原子，氢原子通过金属表面，深入管体内部，在金属内部缺陷(非金属夹杂、元素偏析、带状组织等)处聚集结合成氢分子，氢分子体积增大20倍，产生巨大的内应力所致。当氢浓度很高时，显微缺陷处的氢压力超过材料的抗拉强度，形成氢致裂纹，当管材存在较大残余拉应力时，HIC的形成会加剧[2]。HIC可使管线钢在没有任何明显预兆的情况下突然开裂，其破坏性和危害性极大[3-5]。因此研制开发出成本低、抗HIC性能优良的管线管具有极其重要的意义。

由于具有良好抗HIC性能的无缝管线管应用于恶劣的腐蚀环境中，工作时间较长，因此要求钢质纯净度高、成分和组织均匀、晶粒细小，且具有较低的残余应力、碳当量和冷裂纹系数，以及优良的焊接性能和抗腐蚀性能。同时生产过程要尽量简单、稳定、可靠，便于实施且成本低。为了满足以上要求，鞍钢采用在低碳钢的基础上加入V、Ti微合金元素的成分设计，辅以合适的冶炼、轧制和热处理工艺，得到了各项性能均符合标准和使用要求的钢管，解决了低碳当量、低冷裂纹系数与各项性能匹配的关键技术问题。

1 成分及工艺设计

1.1 技术指标

目前，被广泛认可和应用的X级系列抗HIC管线管的基本标准，主要是美国石油协会API Spec 5L《管线钢管规范》标准。API Spec 5L标准中对抗HIC X52 PSL2钢级管线管化学成分要求见表1，力学和腐蚀性能的要求见表2，3。

表1 X52钢级管线管化学成分(质量分数)要求 %

表2 X52钢级管线管抗HIC性能要求

表3 X52钢级管线管力学性能要求

1.2 成分设计

合理的化学成分是获得优良性能的前提，由于C含量高会降低钢的韧性和焊接性能，并会形成带状组织，影响钢的抗HIC性能，因此应降低C含量。而由此损失的强度可通过增加Mn含量补偿[6]，Mn可以提高钢的强度、韧性，降低韧脆转变温度。P为杂质元素，会促进中心偏析的形成，显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的韧脆转变温度，同时还会恶化钢的焊接性能，应尽量降低P含量。S为杂质元素，易形成硫化物，S与Mn生成的MnS夹杂是HIC最易成核的位置，加剧了H2S腐蚀的敏感性，因此S含量越少越好。同时设计加入V、Ti微合金元素，其中V可以阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但过量的V会降低焊接部分的韧性；Ti可以阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但当含量超过一定量时，强化效果便不明显。因此，合理地加入V、Ti合金元素不仅可以提高其力学性能，而且成本较低。抗HIC无缝管线管的化学成分见表4。

表4 抗HIC无缝管线管化学成分（质量分数） %

1.3 冶炼及轧制工艺

在冶炼过程中要提高钢水的洁净度，降低S含量进而降低钢中MnS等非金属夹杂物的含量，并控制其形态，同时降低易偏析元素Mn和P的含量，避免带状组织的形成，得到细小的晶粒组织对提高钢的抗HIC性能有显著效果。生产中主要通过转炉冶炼、炉外精炼（LF）、连铸等工艺过程，获得良好的冶金质量、合理的化学成分以及优化的夹杂物形态的铸坯。铸坯连轧后得到的管坯经过环形炉加热→穿孔→MPM连轧→脱管→定径→冷却→矫直→探伤等工艺流程，最终包装入库。在整个过程中对加热温度、轧制节奏、变形量、出脱管温度等关键性技术指标进行严格控制。轧制选用Φ185 mm管坯，轧制规格为Φ114.3 mm×8.56 mm。轧制工艺参数见表5。

表5 轧制工艺参数 ℃

1.4 热处理工艺

采用淬火+回火的热处理制度，以获得均匀而细小的组织，避免形成带状组织，对抗HIC性能产生不良影响。淬火后回火的金相组织——细小弥散的球状碳化物，具有良好的抗HIC性能[7].热处理工艺中选择合适的淬火温度、淬火时间、回火温度、回火时间等工艺参数尤为重要。首先对钢种CCT曲线进行测定和研究，并由此选定合适的热处理参数，制定合理的现场工艺流程，最终获得性能稳定的管线管产品。热处理工艺参数见表6。

表6 热处理工艺参数

2 组织与性能

依据以上成份设计，严格按照设计要求的冶炼及轧制工艺、热处理工艺流程进行现场生产，对得到的产品取样并进行金相组织观察、力学性能检验和抗HIC性能检验。

2.1 金相组织

热轧态金相组织如图1所示，组织为珠光体+铁素体，晶粒均匀细小，晶粒度可达8.5级。由于热轧生产中无法完全避免成分偏析及轧制变形形成的带状组织，而氢原子易在成分偏析处形成氢分子，并在产生足够内应力的情况下形成鼓疱和氢致裂纹，从而对管线管抗HIC性能产生很大影响。

图1 热轧态金相组织

经过淬火+回火热处理后的组织如图2所示，为回火索氏体+少量铁素体组织，消除了带状组织，有利于提高材料的抗HIC性能，且由于渗碳体呈颗粒状，使管线管具有强度高、韧性好的综合优势。

图2 试样淬火+回火态组织

2.2 力学性能

取管线管试样进行拉伸试验和夏比冲击试验。拉伸试验检验温度为常温、选用纵向试样，夏比冲击试验检验温度为0℃、选用纵向试样。试样尺寸为 5 mm×10 mm×55 mm。 1#（采用淬火温度900℃，回火温度550℃）、2#（采用淬火温度900℃，回火温度650℃）试样力学性能如表7所示，其性能均满足标准要求，拉伸性能良好，冲击性能优异。2#试样由于回火温度升高，相对1#试样拉伸性能略有下降，但冲击性能提高。

2.3 抗HIC性能

按照NACE-0284-2003标准对试样进行了A溶液和B溶液检验。试验方法为将无应力试验样品置于两种标准试验溶液的一种中：溶液A或溶液B。溶液A为常温、常压下H2S饱和的氯化钠、醋酸 (NaCl,CH3COOH)溶液；溶液B为常温、常压下H2S饱和的合成海水溶液。96 h后，取出试验样品进行评估。检验结果显示1#、2#试样均无HIC裂纹，裂纹长度率、裂纹厚度率、裂纹敏感率均为零，完全满足标准要求，抗HIC腐蚀性能优良。