低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管组织性能研究*

赵 勇，黄晓辉，李 超，张 鹏，程 逞，张文韬，蔡文利

（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 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司 宝鸡石油输送管分公司，陕西 宝鸡721008）

低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管组织性能研究*

赵 勇1,2，黄晓辉1,2，李 超1,2，张 鹏1,2，程 逞2，张文韬3，蔡文利3

（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 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司 宝鸡石油输送管分公司，陕西 宝鸡721008）

采用低Mn，Nb-Cr抗酸性X65MS热轧卷板，通过控制钢管成型残余应力、焊接热输入等措施成功开发出了低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管，并对其化学成分、显微组织、力学性能及抗酸性能等进行了研究分析。结果表明，钢管母材和焊缝的力学性能良好，HIC和SSCC试验均未出现氢鼓泡和裂纹，性能均达到或高于API SPEC 5L（45版）标准要求。

螺旋埋弧焊管；X65MS；抗酸性；力学性能

油气输送管道是国民经济的生命线，也是当前石油、天然气最为经济、安全的长距离输送工具，当输送管道暴露在含有湿H2S的流体介质中时，容易发生H2S酸性腐蚀，造成管道失效，严重影响管道的服役寿命和安全运行，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，容易造成管壁减薄、蚀孔，甚至断裂等[1-2]。

国外如欧洲钢管、新日铁、JFE和蒂森克虏伯等公司在这一方面研究的较早，目前生产的抗酸管主要以X60和X65钢级为主，酸性服役pH值可达到3，而我国由于起步较晚，酸性服役下的钢管仍以X52和X60低钢级抗酸管为主[2]，无法满足高压大流量输送和日益增长的含酸性油气输送需求，高钢级抗H2S腐蚀管仍需要依赖进口。为了满足国内酸性油气输送需要，同时兼顾板材经济性，本研究采用巴西CBMM公司和中信金属公司联合开发的抗酸性能优异的低Mn高Nb X65热轧板卷，相比常规抗酸板材，Mn含量进行了大幅度降低[3-4]，因此，结合该卷板化学成分的特殊性，通过优化制管焊接工艺，成功开发出低Mn高Nb抗酸性X65MS钢级φ711mm×9.5 mm螺旋埋弧焊管，并按 API SPEC 5L（45版）及附录 H的要求对其力学性能和抗酸性能进行了研究分析。

1 试验方法

采用PDA-7000直读光谱仪对板材化学成分进行了分析，采用LEICA DMI 5000M光学显微镜观察母材和焊接接头的显微组织，腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。

采用司特尔Durascan-70全自动显微/维氏硬度计测量管体和焊接接头硬度，加载载荷为10 kg，加载时间60 s。采用ZWICK Z1200kN万能材料试验机进行拉伸试验，母材拉伸试样在焊管180°位置取样，母材和焊缝均采用板状试样，依据ASTM E8《金属材料拉伸试验方法》进行拉伸。加工出7.5 mm×10 mm×55 mm的冲击试样，采用ZWICK PSW750J示波冲击试验机依据ASTM E23《金属材料缺口冲击试验方法》进行冲击试验。采用JL-50000落锤式冲击试验机进行落锤撕裂试验。采用WE-30B电液伺服万能试验机对焊缝做正反弯曲试验，弯轴直径6t，弯曲角度180°。

依据美国腐蚀工程师协会NACE标准TM0284《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》对低Mn高Nb X65MS抗酸管在H2S环境下进行HIC试验，腐蚀溶液为标准中的A溶液（饱和H2S溶液+5%NaCl+0.5%醋酸混合溶液）。试验开始时溶液的pH值约为2.7，试验结束时pH值约为3.8，浸泡时间为96 h。试验完成后，对母材、焊缝和热影响区的HIC试样进行宏观检查，外表面无氢鼓泡现象，然后按NACE TM0284要求，放大100倍对断面进行检查，观察是否有HIC裂纹，并按式（1）～式（3）分别计算试样的裂纹敏感率（CSR）、 裂纹长度率（CLR）和裂纹厚度率（CTR）。

式中：a—裂纹长度，mm；

b—裂纹厚度，mm；

W—试样宽度，mm；

T—试样厚度，mm。

依据NACE标准TM0177《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SSCC试验，将试样连同夹具一起放进试验容器中，固定好密封装置，腐蚀溶液为标准中的A溶液。加载方式选用NACE标准中要求的四点弯曲法，在90%屈服强度载荷作用下进行SSCC试验。试验开始时溶液的pH值约为2.7，试验结束时pH值约为3.8，试验时间为720 h。试验完成后，对母材、焊缝和热影响区的SSCC试样进行宏观检查，外表面是否有开裂现象，然后在显微镜下放大10倍对试样的拉伸面进行观查，未发现任何表面开裂或裂纹[5]。

2 微观组织和力学性能

由于巴西CBMM公司开发的板材采用低Mn，Nb-Cr合金化设计理念[3-4]，主要通过超洁净钢生产工艺技术中深脱硫技术、连铸过程电磁搅拌和动态轻压及热机械轧制等工艺技术，严格控制S和P等危害元素的含量，控制夹杂物的数量、尺寸和成分偏析等现象的产生，确保得到纯净度高、组织均匀细小、残余应力及冷裂纹敏感系数低的热轧卷板[3]。针对该卷板特性，宝鸡石油钢管有限责任公司在螺旋埋弧制管过程中采用自主研发的Mn-Ni-Mo-Ti-B抗酸焊丝，结合BGSJ101G焊剂，通过控制钢管成型残余应力、优化焊接工艺参数及控制焊接热输入等措施，确保得到强韧性和抗酸性优良的管线钢管。

2.1 卷板化学成分

X65MS抗酸管卷板的化学成分见表1。由表1可知，该卷板采用极低的Mn含量，以消除Mn偏析[6-9]，采用高Nb和Cr合金化来提高强度和细化晶粒[10-11]，同时加入少量Cu，Ni和Ti等微合金化元素，既可以使板材具有较低的碳当量和冷裂纹敏感指数，又可以弥补板材因降C、降Mn导致的强度损失，使钢板能够保持较高的强度水平。另外，采用Nb-Cr的简单合金设计可以降低抗酸板材的合金成本。

表1 X65MS抗酸管卷板的化学成分 %

2.2 显微组织

图1为X65MS抗酸螺旋埋弧焊管的显微组织。由图1可知，母材组织以准多边形铁素体为主,外焊焊缝组织以针状铁素体和少量先共析铁素体为主，HAZ组织以粒状贝氏体和少量铁素体为主。对母材显微组织进行多视域的夹杂物观察，几乎未见尖角夹杂物，非金属夹杂仅存在D类细1.5，带状组织为0，母材组织均匀一致，晶粒尺寸细小，晶粒度为12级，基本实现了超低偏析、超低夹杂及细晶化。焊缝形成了大量针状铁素体，针状铁素体是晶内形核的贝氏体，以大角度分布，取向自由度大，并具有很高的位错密度以及较高的强度和优良的抗断裂性能[12]。HAZ的粒状贝氏体，虽然韧性不如针状铁素体，但强度较高，保证了焊接接头具有良好的强度。

图1 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管显微组织

2.3 力学性能

大量研究证明，多数钢的强度级别越高，其抗SSCC性能越差。经破坏事故和试验数据分析可知，材料不发生SSCC的最高硬度为238～279 HV10（20～27 HRC），硬度越低，临界应力和断裂时间越长，HIC敏感性也越小[13-15]。由于母材中没有Mo元素，且碳当量低，采用最优的热输入，微观结构得到了更好的控制，且有效控制了焊接接头的硬度，从而使焊接接头具有良好的韧性和抗酸性。表2为母材和焊接接头硬度测试结果，均测量9个点，所有硬度低于250 HV10，完全符合API SPEC 5L（45 版）标准要求。

表2 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管母材和焊接接头硬度 HV10

表3为钢管母材和焊缝的拉伸性能。由表3可以看出，母材横向及焊缝的拉伸性能均符合API SPEC 5L（45版）标准的要求。

表4为钢管不同位置的冲击、DWTT及弯曲试验结果。图2为钢管不同温度下的冲击试验结果和剪切面积。表4和图2中的冲击功是将试样换算成10 mm×10 mm×55 mm标准试样的冲击功，可以看出，在0℃下的冲击功远高于标准要求，-10℃下钢管母材平均冲击功在320 J以上，HAZ平均冲击功在210 J以上，焊缝平均冲击功在110 J以上，管体和焊缝都呈现出较好的低温韧性。焊缝正反弯曲试验，弯轴直径为6 t，弯曲角度180°，正反面焊缝均未出现裂纹。-15℃下的落锤撕裂剪切面积为100%，冲击、弯曲及DWTT结果均符合 API SPEC 5L（45版）标准的要求。

表3 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管母材横向及焊缝的拉伸性能

表4 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管冲击、DWTT及弯曲试验结果

图2 X65MS抗酸螺旋埋弧焊管不同温度下的冲击功和剪切面积

3 耐酸性腐蚀性能

3.1 抗HIC性能

试验后对母材、焊缝和HAZ的HIC试样进行宏观检查，外表面未发现氢鼓泡现象，如图3所示。剖面上亦无HIC裂纹，CSR，CLR及CTR均为0，远低于API SPEC 5L（45版）标准中CSR≤2%，CLR≤15%和CTR≤5%的要求。可见，新开发的低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管对HIC不敏感。

3.2 抗SSCC性能

对钢管施加90%屈服强度载荷后，母材、焊缝及HAZ试样均未发生SSCC，且无裂纹，如图4所示。试验结果符合API SPEC 5L（45版）标准中施加72%最小规定屈服强度应力而不断裂的要求，表现出母材和焊接接头优异的抗SSCC性能。

图3 HIC试验后宏观照片

图4 施加90%屈服强度载荷后SSCC试验宏观照片

4 结 论

（1）开发的低Mn高Nb抗酸性X65MS螺旋埋弧焊管母材屈服强度为472～495 MPa，抗拉强度为580～583 MPa，焊缝抗拉强度为596～612 MPa；母材和焊缝的硬度均小于250 HV10；0℃下母材的冲击功为299～337 J，焊缝冲击功为181～200 J，力学性能远高于API SPEC 5L （45版）标准要求。

（2）HIC试验后母材、焊缝及HAZ均未发现氢鼓泡现象，试样剖面也无裂纹，表现出良好的抗HIC性能。

（3）SSCC试验后母材、焊缝及HAZ均未发生SSCC现象，且无宏观和微观裂纹，表现出良好的抗SSCC性能。

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Research on Structure Performance of Low Mn High Nb Acid Resistant X65MS SAWH Pipe

ZHAO Yong1,2,HUANG Xiaohui1,2,LI Chao1,2,ZHANG Peng1,2,CHENG Cheng2,ZHANG Wentao3,CAI Wenli3
(1.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Baoji Line Pipe Company of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

Adopting low Mn,Nb-Cr acid resistant X65MS hot rolled plates to successfully develop low Mn high Nb acid resistant X65MS SAWH pipe,through controlling steel pipe forming residual stress,welding heat input and other measures.The properties of X65MS SAWH pipe were analyzed and studied,including chemical component,microstructure,mechanical performance and acid resistance.The results indicated that the mechanical performance of steel pipe base metal and weld are good,no hydrogen bubble and crack occurre in HTC and SSCC test,and the performance reach or higher than the API SPEC 5 l（45thedition） standards.

SAWH pipe;X65MS;acid resistance;mechanical properties

TE973

A

1001－3938（2015）06-0033-05

国家科技支撑计划课题，高强度耐腐蚀石油天然气集输和输送用管线钢生产技术（2011BAE25B03）。

赵 勇（1988—），男，助理工程师，主要从事油气管材开发与制管工艺技术研究工作。

2015-01-06

张 歌