C90級耐腐蝕HFW套管性能試驗研究*

何石磊 ， 張 峰 ， 畢宗岳 ， 白 鶴 ， 李遠征 ，王 濤， 李周波 ， 王 軍 ， 黨 濤 ， 張選龍

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

隨著國內油氣田開發環境越來越苛刻，特別是因含有H2S和CO2等酸性氣體而造成苛刻復雜酸性的工況，這些工況要求高強度鋼套管材料具有抗SCC（應力腐蝕開裂）的能力[1-4]。試驗研究結果表明[5-10]，適當的合金成分、 較低的夾雜物含量、 低硫及低氫控制，加上均勻細小的晶粒組織，可使油套管產品的抗H2S腐蝕性能得到較大提高。近年來，隨著超純凈鋼、連鑄板坯及低碳微合金化鋼板控軋技術的發展，HFW焊縫優化技術和生產工藝進步，以及無損探傷檢測技術水平的提高，為HFW焊接套管工藝生產耐腐蝕套管產品提供了優質的原料和技術保障[11-12]。本研究采用工業在線HFW套管生產工藝，通過設計卷板化學成分，檢測分析力學性能、顯微組織及腐蝕性能等方面，討論研究了用HFW套管生產高強度耐腐蝕套管的性能和可行性。

1 試驗材料

1.1 材料成分設計

采用HFW焊管生產耐腐蝕套管，其卷板化學成分既要考慮可焊性，又要考慮熱處理及力學性能要求，同時還要考慮成分對腐蝕性能的影響，因而將卷板碳含量w（C）設計在0.20%~0.25%之間。Cr和Mo可提高淬火透性，保證回火后獲得單一的回火馬氏體，同時碳化物是氫的不可逆陷阱，可有效提高抗硫化氫應力腐蝕性能[10]；但Cr含量較高對HFW焊接影響較大，容易在焊縫中形成灰斑，降低焊縫性能。Mn元素可促進有害元素P和S等向晶界集聚，降低晶界結合力[14]，也可與S元素形成MnS夾雜物，造成材料腐蝕性能惡化，因而采用低Mn成分設計。S和P是晶界脆化元素，特別是S元素在HFW焊接急熱和急冷過程中容易形成富S區，惡化焊縫性能，而且MnS夾雜物是氫致裂紋主要發源地[15-18]，因而S和P含量必須嚴格控制。Nb，V和Ti微合金元素不僅可以阻止奧氏體晶粒長大，細化晶粒，而且對后續焊接和熱處理有利，可有效控制熱張減后管坯晶粒尺寸增大。在考慮原料成本和生產成本的基礎上，試驗卷板化學成分見表1。

表1 卷板原料化學成分%

1.2 材料性能

試驗卷板供貨狀態為熱軋態，常溫下力學性能見表2，其卷板顯微組織如圖1所示，顯微組織主要為鐵素體+珠光體。

表2 卷板常規性能檢測結果

圖1 卷板頭尾部顯微組織

2 試驗方法

2.1 管坯制備

將工業卷板縱剪成窄鋼帶，然后通過粗成型、精成型、HFW焊接及切管形成毛坯管。采用在線加熱裝置，將HFW焊管管坯加熱到奧氏體化以上溫度，在高溫下將管材按照一定的速率進行熱張力減徑處理，將管坯減徑至所需的管徑和壁厚。對熱張減后管坯進行調質處理，將淬火溫度控制在850～950℃，回火溫度控制在650～700℃，可以得到較好的組織與性能；同時熱處理后的熱矯直溫度應≥500℃，可保證較低的殘余應力。

2.2 檢測方法

從焊縫位置取20 mm×18 mm塊狀金相試樣，用3%硝酸酒精溶液腐蝕，采用DMI 5000 M金相顯微鏡進行組織觀察。沖擊試驗采用PSW 750示波沖擊試驗機，分別采用6件尺寸為55 mm×10 mm×7.5 mm的焊縫和母材的橫向試樣，試驗溫度為0℃，測定后轉換成全尺寸沖擊功。殘余應力測試采用環切法，通過測量切開管段張開量計算殘余應力值。

溝槽腐蝕試驗采用恒電位電化學極化方法對焊縫試樣進行加速腐蝕，腐蝕環境為3.5%NaCl中性水溶液，陽極極化電位-550 mV，極化時間為144 h，試驗溫度為室溫；采用金相法和顯微鏡測量焊縫的腐蝕深度h2和母材的平均腐蝕深度h1，根據溝槽腐蝕敏感性系數公式α＝h2/h1，評價焊縫溝槽腐蝕敏感性。

氫致開裂試驗依據NACE TM 0284—2003標準，試驗溶液為A溶液，即5%NaCl+0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液，試驗溫度為25±3℃。起始試驗溶液的pH測試值不超過3.3，試驗后溶液的pH測試值不超過4.0，試驗時間為96 h。

應力腐蝕試驗依據 NACE TM 0177—2005，試驗溶液為A溶液，即5%NaCl+0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液，試驗溫度為24±3℃。起始試驗溶液的pH測試值為2.7±0.1，試驗后溶液的pH測試值不超過4.0，試驗時間為720 h。加載方式為四點彎曲，加載應力值為80%名義屈服強度和85%名義屈服強度。

3 試驗結果

3.1 強韌性

圖2為C90級耐腐蝕HFW套管的力學性能。拉伸試驗結果表明，采用 “高頻焊接+熱張力減徑+全管體調質熱處理”工藝的耐腐蝕套管的屈服強度和抗拉強度可滿足API 5CT標準對C90套管的要求，而且其延伸率遠高于標準的要求，最低值為21%。沖擊試驗結果表明，該工藝下C90級耐腐蝕套管母材和焊縫的橫向沖擊韌性趨于一致，并具有較高的沖擊韌性值（圖 2（b））。

圖2 C90級耐腐蝕HFW套管的力學性能

3.2 顯微組織

圖3和圖4分別為C90級耐腐蝕HFW套管熱張力減徑后和全管體調質處理后母材與焊縫區域的顯微組織。分析結果表明，在熱張力減徑工藝作用下，HFW焊接管坯在熱機械形變和微合金元素V，Ti和Nb等共同作用下使焊縫區域組織細化、均勻化，與母材顯微組織趨于一致。經過全管體調質處理后，焊縫與母材的差異進一步減少。

圖3 熱張力減徑后管坯顯微組織

圖4 全管體調質熱處理后管坯顯微組織

圖5顯示了C90級耐腐蝕HFW套管調質后碳化物在基體上的分布情況及碳化物類型。掃描電鏡和碳化物能譜分析結果表明，經全管體調質處理后，形成的細小球化Cr，Mo，V和Nb等強碳化物，這些細小的合金碳化物均勻、彌散地分布在鐵素體基體上形成氫陷阱，特別是組織界面上仍然呈現不連續分布，從而提高了基體抗H2S應力腐蝕性能。

圖5 套管調質后的碳化物分布形貌及能譜圖

3.3 殘余應力

圖6顯示了C90級耐腐蝕HFW套管殘余應力測量結果。從測試結果可以看出，經全管體調質處理后，該工藝生產的C90級耐腐蝕套管殘余應力較低，基本測量值維持在60～80 MPa，表明該工藝在降低套管殘余應力方面的效果比較明顯。

圖6 殘余應力測量結果

3.4 溝槽腐蝕

HFW高速焊接過程中，因高熱量輸入易造成焊縫區合金元素分布不均勻、殘余應力、焊縫缺陷及夾雜物等，這些因素容易致使焊縫區域形成腐蝕電池，增加了焊縫溝槽腐蝕的發生率。目前，對HFW焊管焊縫溝槽腐蝕敏感性評價通常采用溝槽腐蝕敏感性系數α＝h2/h1（h2和h1分別為焊縫的腐蝕深度和母材的平均腐蝕深度）來衡量。一般認為，當α<1.3時，焊縫對溝槽腐蝕不敏感。C90級耐腐蝕HFW套管的溝槽腐蝕試驗結果見表3，腐蝕前后的試樣形貌如圖7所示。試驗結果表明，該工藝生產的C90級耐腐蝕套管焊縫具有優良的抗溝槽腐蝕性能。

表3 溝槽腐蝕試驗檢測結果

圖7 溝槽腐蝕前后試樣形貌

4 抗氫致開裂（HIC）性能

在腐蝕過程中析出的氫原子向鋼中擴散，在鋼中非金屬夾雜物、分層和其他不連續處易聚集形成氫分子。因氫分子較大，很難從鋼的內部逸出，形成氫內壓并作用于周圍組織，從而形成表面層下的氫鼓泡。圖8為經過氫致開裂試驗后試樣的宏觀形貌，圖9為氫致開裂試驗后試樣放大100倍后的形貌。從宏觀形貌觀察，未發現試樣表面產生氫鼓泡；從斷面形貌觀察，未能見到夾雜物及裂紋存在，表明試樣對H2S腐蝕不敏感。

圖8 氫致開裂試驗后試樣的宏觀形貌

圖9 腐蝕試樣放大100倍下的形貌

5 抗硫化氫應力（SSCC）腐蝕性能

在四點彎曲試驗中，應力促使氫原子向母材和焊縫的夾雜物界面、晶界、偏析區、位錯等區域形成氫陷阱聚集，從而萌生裂紋和促進裂紋的擴展。圖10為在飽和H2S的A溶液中試驗720 h后，加載應力分別為最小名義屈服強度80%和85%的試樣形貌。可以看出，試樣均未產生裂紋，表明在應力作用下該套管具有良好的抗H2S應力腐蝕性能。

圖10 H2S應力腐蝕試驗后的試樣形貌

6 試驗結果分析

研究表明，適當的合金成分、較低的夾雜物含量、低S及低氫的工藝控制，加上均勻細小的晶粒組織，使低合金高強度鋼的抗H2S腐蝕性能得到較大提高[5-10]。采用 “HFW高頻焊接+熱張力減徑+全管體調質熱處理”工藝生產的C90鋼級耐腐蝕套管，具有良好的塑性、強韌性、抗溝槽腐蝕性及抗H2S腐蝕性能，分析其原因在于：

（1）套管采用TMCP工藝軋制的卷板為原料生產管坯，在卷板成分設計中充分考慮了工藝特點，降低了C，S，P及Mn含量，添加有效提高抗H2S腐蝕的合金元素Cr，Mo和V等，防止S和P在奧氏體晶界附近聚集及MnS的形成[10,14]，從本質上減小了腐蝕傾向；

（2）在添加Cr和Mo的基礎上，增加適量V和Ti等合金元素，不僅能夠保證較高的回火溫度，防止回火脆性的出現，還能增加基體的抗腐蝕能力[19-21]，同時也保證了焊接性能及熱處理性能，而且在后續加工中保持了熱軋卷板的原始奧氏體晶粒尺寸細小的優點，可充分發揮合金元素的作用，保證產品組織細小，從而使套管產品具有良好的強度、塑性和韌性匹配，并具有良好的抗H2S腐蝕能力；

（3）采用HFW高頻焊接后進行熱張力減徑處理，細化了焊縫組織，減小了與母材的差異。同時全管體調質處理，進一步減小了組織上的差異，從而保證了焊縫與母材力學性能的一致性，降低了焊縫溝槽腐蝕的傾向，保證了低的溝槽腐蝕敏感系數。高溫回火及高溫熱矯直，不僅降低了殘余應力，而且有效減小了位錯密度，殘余應力及位錯密度的降低對提高HFW焊縫的抗溝槽腐蝕和H2S應力腐蝕性能非常有利[12-13,22-23]；（4）全管體調質熱處理后，由于原始晶粒尺寸細小，保證了基體上碳化物分布更加彌散，并且呈不連續分布，從而提高了基體的抗腐蝕能力。同時，彌散分布于基體上的合金碳化物恰是氫的不可逆陷阱[19,21]，從而提高了材料抗H2S應力腐蝕的性能。

7 結 論

（1）采用 “HFW高頻焊接+熱張力減徑+全管體調質熱處理”工藝開發的C90級耐腐蝕套管產品屈服強度和抗拉強度均滿足API 5CT標準對C90套管的要求，母材和焊縫的橫向沖擊功均大于100 J，且沖擊功差異不大，殘余應力小于80 MPa，表明該工藝開發的C90級耐腐蝕套管具有良好的綜合力學性能。

（2）由 “HFW高頻焊接+熱張力減徑+全管體調質熱處理”工藝生產的C90級HFW套管焊縫具有低的溝槽腐蝕系數，管體對氫致開裂腐蝕不敏感；在加載80%和85%名義屈服強度應力下，試樣在飽和H2S的A溶液中經過720 h不開裂。腐蝕試驗表明，該套管具有良好的抗H2S應力腐蝕性能。

［1］張華倩.油井管腐蝕現狀與防護技術初探［J］.中國石油和化工標準與質量，2012（11）：104.

［2］牟昊，陳妍，齊殿威，等.高強度油井管用鋼專利技術的現狀及發展趨勢［J］.特殊鋼，2012（05）：19-24.

［3］王文明，張毅.酸性氣體腐蝕環境油井管選材分析與評價［J］.腐蝕與防護，2010（08）：645-648.

［4］徐東林.兩種油套管抗硫鋼的H2S/CO2腐蝕研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［5］王樹濤，鄭新艷，李明志，等.抗硫套管鋼P110SS在高含H2S/CO2條件下的硫化物應力腐蝕破裂敏感性［J］.腐蝕與防護，2013（03）：189-192.

［6］田青超，董曉明，郭金寶.抗擠抗硫套管用CrMo鋼在硫化氫介質中的電化學行為［J］.寶鋼技術，2008（05）：49-53.

［7］周志偉,俞杰.C90-1級耐腐蝕石油套管用鋼25CrMoTi的開發[J].特殊鋼，2012（04）:39-41.

［8］賴宏.超細晶耐腐蝕性鋼的開發與研究［D］.重慶：重慶大學，2003.

［9］殷名學，曹曉燕，羅澤斌，等.抗硫油管與鎳鉻合金鋼材料的電偶腐蝕研究［J］.天然氣與石油，2009（02）：16-19.

［10］婁琦，杜偉，李東風，等.110鋼級抗擠抗硫套管性能試驗研究［J］.石油礦場機械，2013（05）：65-68.

［11］黃云，江健，邊華川.L80-13Cr抗CO2腐蝕油井管的研制與開發［J］.柳鋼科技，2009（S1）：48-51.

［12］余燦生.C95級ERW耐腐蝕油井管成分及熱處理工藝研究［D］.昆明：昆明理工大學，2013.

［13］武會賓，劉立甫，王立東，等.Q125級套管鋼高頻電阻焊接頭耐 CO2/H2S腐蝕行為［J］.焊接學報，2013（10）：17-21.

［14］王煒，齊慧濱，肖光成，等.ERW 焊管溝槽腐蝕行為研究與評價［J］.世界鋼鐵， 2006， 7（06）： 20-24.

［15］羅登，崔海偉，蔡慶伍，等.X80級管線鋼抗氫致開裂和應力腐蝕開裂性能研究［J］.物理測試，2009（05）：11-16.

［16］彭先華.不同微觀結構管線鋼氫致開裂（HIC）行為研究［D］.武漢：武漢科技大學，2013.

［17］CARNEIRO R A， RATNAPULI R C， LINS V C.The Influence of Chemical Composition and Microstructure of API Linepipe Steels on Hydrogen Induced Cracking and Sulfide Stress Corrosion Cracking ［J］.Materials Science and Engineering： A， 2003， 357（01）： 104-110.

［18］尹成先.X70管線鋼氫致開裂及應力腐蝕行為研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2003.

［19］周維漢，楊揚，謝凱意.抗腐蝕油管熱處理工藝的確定［J］.材料保護， 2006（03）：69-71.

［20］王志奮，吳立新，孫宜強，等.組織結構對貝氏體鋼的耐腐蝕性能影響［J］.物理測試，2011（04）：37-41.

［21］孫宇，張志遠，韓麗華，等.鉻鉬系列抗腐蝕鋼管的組織及析出相分析［J］.鋼管，2011（06）：43-48.

［22］PARK J，SEO B，LEE J.A Study on Grooving Corrosion Behavior of Electric Resistance Welded Steel Pipe for Post Weld Heat Treatment［J］.Journal-korean Institute of Metals and Materials， 2003， 41（01）： 45-50.

［23］呂春雷，曹為民，陳浩，等.應力對直縫高頻電阻焊管溝槽腐蝕的影響［J］.腐蝕與防護，2010（07）：512-514.