X65MS直縫埋弧焊管SSC試驗(yàn)及其影響因素研究

劉耀民，諶鐵強(qiáng)

（1.中油寶世順（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島 066206；2.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326）

X65MS直縫埋弧焊管SSC試驗(yàn)及其影響因素研究

劉耀民1，諶鐵強(qiáng)2

（1.中油寶世順（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島 066206；2.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326）

為了滿足殼牌公司DEP31.40.20.37－Gen（2010）標(biāo)準(zhǔn)及阿曼石油公司PDO SP2041（2011）附加技術(shù)對(duì)X65MS鋼級(jí)酸性服役條件下直縫埋弧鋼管SSC的要求，從鋼材的成分控制、冶煉、軋制以及鋼管成型、焊接和SSC試驗(yàn)環(huán)節(jié)全過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，并結(jié)合試驗(yàn)分析SSC性能的影響因素。SSC試驗(yàn)試樣加載應(yīng)力按照實(shí)際屈服強(qiáng)度計(jì)算加載應(yīng)力，嚴(yán)格控制鋼管屈服強(qiáng)度的上限。另外在檢驗(yàn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制試樣制備以及試驗(yàn)過(guò)程，才能夠完全滿足SSC性能指標(biāo)。

焊管；直縫埋弧焊管；X65MS；SSC；屈服強(qiáng)度

Abstract:In order to meet the DEP 31.40.20.37－Gen(2010)standard of Shell and the SSC requirements of X65MS steel grade SAWL pipe under the condition of acid service in PDO SP2041 additional technical clauses of Oman Oil Company(2011),it should strictly control steel composition,smelting,rolling,steel pipe forming,welding and SSC test whole process;combined with the test,the influence factors of SSC performance were analyzed.Calculating load stress of SSC test samples according to the actual yield strength,strictly control the upper limit of steel pipe yield strength.In addition,it should strictly control sample preparation and test process,can fully meet the SSC performance indicators.

Key words:welded pipe;longitudinal submerged arc welding(SAWL)pipe;X65MS;SSC;yield strength

酸性服役條件下直縫埋弧焊管的硫化物應(yīng)力開(kāi)裂（SSC）試驗(yàn)結(jié)果是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)鋼管在含硫化氫的石油和天然氣環(huán)境中具有的抗開(kāi)裂性能。因此，通常都會(huì)在API SPEC 5L附錄H“酸性服役條件PSL2鋼管的訂購(gòu)”基礎(chǔ)之上，對(duì)SSC試驗(yàn)制定更為嚴(yán)格的要求。隨著鋼級(jí)的提升，SSC性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求變得更為困難。API SPEC 5L（2012）附錄H規(guī)范的最高鋼級(jí)為X70MS，而目前工程應(yīng)用主要以X65MS鋼級(jí)為主。

1 X65MS直縫埋弧焊管的SSC要求

以中油寶世順（秦皇島）有限公司2013年承接的中東某項(xiàng)目X65MS鋼級(jí)酸性服役條件下直縫埋弧焊管的制造合同為例進(jìn)行分析，該項(xiàng)目產(chǎn)品規(guī)格為Φ813 mm×12.5/14.2/17.5 mm，材料鋼級(jí)為X65MS。

1.1 SSC試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及特殊要求

SSC試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及特殊要求見(jiàn)表1。

1.2 項(xiàng)目使用的SSC試驗(yàn)方法

試樣規(guī)格： 256 mm×25 mm×10.7/12.5/15.2 mm（長(zhǎng)×寬×厚）（試樣壓平后再加工）。

加載應(yīng)力：90%實(shí)際屈服強(qiáng)度（四點(diǎn)彎曲法）。

試驗(yàn)溶液：NACE TM177 Solution A。

pH： 初始為 2.7±0.1， 試驗(yàn)中 pH＜4。

試驗(yàn)氣體：99.5%純度 H2S（1 bar）。

酸液濃度： ＞2 300 ×10-6。

溫 度：24±3℃。

試驗(yàn)周期： 720 h（30天）。

表1 SSC試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及特殊要求

1.3 SSC試驗(yàn)用試塊和試樣要求

1.3.1 API SPEC 5L（2007）

API SPEC 5L H7.2.3.1中規(guī)定應(yīng)在用于制造工藝評(píng)定的每個(gè)樣管上取一個(gè)縱向試塊，每個(gè)試塊加工成三個(gè)試樣。

API SPEC 5L H7.2.3.2中規(guī)定除另有協(xié)議外，四點(diǎn)彎曲SSC試驗(yàn)用試樣尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）應(yīng)大于115 mm×15 mm×5 mm，對(duì)于焊管，在試樣的中心應(yīng)包括一段直焊縫或螺旋焊縫。試樣取自鋼管內(nèi)表面，在加工試樣之前將取樣壓平。

1.3.2 DEP31.40.20.37-Gen（2010）

DEP31.40.20.37-Gen（2010） H7.2.3.1補(bǔ)充要求中規(guī)定，除非委托人同意，試樣厚度應(yīng)該是t（壁厚）或15 mm，二者選擇最小值；試樣寬度應(yīng)大于20 mm。

經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求的分析，可以得出該項(xiàng)目對(duì)于SSC試驗(yàn)的要求非常嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在試樣加載應(yīng)力、驗(yàn)收極限、試樣厚度和鋼級(jí)這四個(gè)方面。要想順利通過(guò)該項(xiàng)目對(duì)于SSC的試驗(yàn)要求，鋼管母材及焊縫必須具有優(yōu)良的性能。

2 SSC性能影響因素

綜合來(lái)看，影響SSC性能的因素很多，一般可歸納為兩方面：鋼板生產(chǎn)和制管工藝。首先，為了保證鋼板滿足NACE標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)要求，在鋼水冶煉過(guò)程中通過(guò)工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了極低的C、P、S、N和H含量以及較低的鋼水過(guò)熱度；通過(guò)純凈鋼工藝以及連鑄輕壓下技術(shù)攻關(guān)，嚴(yán)格控制鋼水的成分；通過(guò)TMCP工藝技術(shù)得到均勻的組織形態(tài)。其次，抗酸管線工程一般以小直徑鋼管為主，小直徑鋼管在制管過(guò)程變形量大，局部應(yīng)力集中。這些特點(diǎn)會(huì)對(duì)其抗硫化氫腐蝕性能有較大影響，造成鋼板合格但是制管后不合的情況發(fā)生。焊接工藝匹配不宜過(guò)高，須嚴(yán)格控制焊縫強(qiáng)度和硬度，焊縫工藝質(zhì)量須優(yōu)于普通管材。試樣制備時(shí)，由于具有一定的弧度，在試樣壓下過(guò)程中由于操作不當(dāng)還會(huì)額外產(chǎn)生裂紋，影響試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 成分設(shè)計(jì)及夾雜物控制

成分設(shè)計(jì)是保證鋼板各項(xiàng)性能滿足要求的基礎(chǔ)，X65MS抗酸管線鋼成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，X65MS抗酸管線鋼成分設(shè)計(jì)采用了以極低C和Mn為基礎(chǔ)，嚴(yán)格控制S和P含量，另外將鋼中氣體元素N、H和O含量盡量控制在較低水平。保證鋼水潔凈，減輕鑄坯心部偏析，以滿足鋼板抗酸性能要求以及產(chǎn)品低溫韌性。鋼中添加一定量的微合金元素及合金強(qiáng)化元素，滿足產(chǎn)品強(qiáng)度要求，進(jìn)一步提高鋼板低溫韌性。在保證鋼板強(qiáng)度水平的前提下，低碳當(dāng)量的設(shè)計(jì)對(duì)于提高鋼板焊接性能有積極作用。

C是最易造成中心偏析的元素，對(duì)鋼中碳含量與裂紋長(zhǎng)度率（CLR）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，CLR隨著碳含量增加會(huì)明顯增加。

表2 X65MS管線鋼成分設(shè)計(jì)

在X65MS抗酸管線鋼實(shí)際生產(chǎn)中，關(guān)鍵元素C、P和S含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，鋼中 w（C）分布在 0.03%～0.05%之間，滿足成分設(shè)計(jì)中保證抗酸性能的要求。w（P）基本控制在130×10-6以內(nèi)。通過(guò)鐵水脫硫預(yù)處理、控制轉(zhuǎn)爐回硫和LF爐精煉深脫硫等工藝措施，使w（S）基本控制在14×10-6之內(nèi)。另外鋼中 w（N）最大為 50×10-6， w（H）最大為1.5×10-6。

鋼中添加了一定量微合金元素Nb和Ti，在成分設(shè)計(jì)中作用顯著。Nb對(duì)鋼的顯微組織的作用主要是晶粒細(xì)化、延遲再結(jié)晶、沉淀強(qiáng)化等方面，Nb的添加可以改善鋼的低溫韌性。

圖1 X65MS抗酸鋼中關(guān)鍵元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

鋼中夾雜物級(jí)別按ASTM E45 A法測(cè)定，鋼中A、B、C、D類非金屬夾雜物級(jí)別限制見(jiàn)表3?？偧?jí)別不大于4.5級(jí)，板邊25 mm，不允許存在A、B夾雜物。帶狀組織不大于2級(jí)。

表3 金屬夾雜物級(jí)別限定

鋼板夾雜物實(shí)物檢測(cè)情況，鋼板A類和C類夾雜物粗系、細(xì)系均為0；D類粗系0.5級(jí)，細(xì)系1.0級(jí)；B類夾雜物粗系和細(xì)系的評(píng)級(jí)情況分別如圖2所示。

圖2 鋼中B類夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

鑄機(jī)全程動(dòng)態(tài)軟壓下對(duì)于改善鑄坯中心偏析的效果顯著，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)X65MS抗酸鋼板奠定了基礎(chǔ)。對(duì)板坯中心偏析采用冷酸侵蝕，并按照YB/T 4003—1997標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)。300 mm抗酸連鑄坯低倍照片如圖3所示，從圖3的低倍照片中看不到明顯中心偏析線。

圖3 300 mm連鑄坯低倍照片

2.2 焊縫與母材的硬度

硫化氫應(yīng)力腐蝕在不同強(qiáng)度的管線鋼中均可能發(fā)生。一般而言，隨強(qiáng)度級(jí)別的提高，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的傾向性變大，與強(qiáng)度密切關(guān)聯(lián)的是硬度。

該項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求鋼管管體硬度：內(nèi)表面/中心≤220 HV10，外表面≤240 HV10；焊縫及HAZ硬度≤250 HV10。

對(duì)此次生產(chǎn)的鋼管進(jìn)行硬度檢測(cè)，焊縫和HAZ硬度檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，個(gè)別內(nèi)焊硬度＞250 HV10，有部分超標(biāo)。

圖4 焊縫和HAZ硬度檢測(cè)結(jié)果

2.3 試樣展平

試樣規(guī)格 256 mm×25 mm×10.7/12.5/15.2 mm，試樣中心應(yīng)包含一段直焊縫或螺旋焊縫。

試樣展平過(guò)程如圖5所示。按照API SPEC 5L（2007）H.7.2.3.2（中文版）要求： 試樣取自鋼管內(nèi)表面，在加工試樣之前壓平。試樣展平過(guò)程分為粗展平和精展平。首先在試樣兩側(cè)母材加壓，粗展平試樣，加壓時(shí)試樣下側(cè)放置凹形模具，凹處長(zhǎng)度約70 mm，試樣上側(cè)加壓點(diǎn)在焊縫中心50 mm以外（大于內(nèi)夾具間距）；然后在粗展平試樣上下側(cè)均放置凹形模具（凹處長(zhǎng)度約70 mm）進(jìn)行精展平，保證焊縫兩側(cè)及夾具內(nèi)支點(diǎn)間距范圍內(nèi)試樣不直接受壓應(yīng)力。

圖5 試樣展平過(guò)程示意圖

2.4 試樣加載

試樣的應(yīng)力加載和檢測(cè)過(guò)程如圖6所示。試驗(yàn)加載應(yīng)力值見(jiàn)表4。

圖6 試樣應(yīng)力加載示意圖

表4 試驗(yàn)加載應(yīng)力值

3 SSC試驗(yàn)失敗分析

在焊接工藝評(píng)定時(shí)，Φ813 mm×12.5 mm規(guī)格SSC試樣焊縫區(qū)出現(xiàn)了微裂紋，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，裂紋形貌如圖7所示。

圖7 Φ813 mm×12.5 mm規(guī)格SSC試樣焊縫區(qū)裂紋形貌

檢查分析影響SSC性能的所有工藝控制因素，并進(jìn)行評(píng)估，均未發(fā)現(xiàn)異常。重點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

3.1 試樣制備分析

試樣展平步驟如圖8所示。圖8中上面的L形模具下降，下面的L形模具固定托住試樣，直到二者之間的間距為12.5 mm，然后上面的L形模具上升，當(dāng)兩個(gè)L形模具均不接觸試樣時(shí)，焊縫處的殘余應(yīng)力即可確定。殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)如圖9所示，可以看出試樣SSC裂紋起裂點(diǎn)位置。試樣加載有限元分析如圖10所示，試樣展平所產(chǎn)生的塔身殘余應(yīng)力高達(dá)150 MPa，此殘余應(yīng)力可能已經(jīng)增加到了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的拉伸應(yīng)力中。

圖8 試樣展平示意圖

圖9 試樣SSC裂紋示意圖

圖10 試樣加載有限元分析

試樣加工前SSC試驗(yàn)包括試樣展平見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO3183:2012，眾所周知，塑性變形對(duì)鋼的抗SSC性能敏感，而且，在FE分析中顯示出在這個(gè)案例中塑性應(yīng)變導(dǎo)致了裂紋起裂點(diǎn)存在拉伸殘余應(yīng)力。

根據(jù)以上分析，并對(duì)照API SPEC 5L（2007）標(biāo)準(zhǔn)的中英文版本進(jìn)行分析。

API SPEC 5L（2007）（中文版）H.7.2.3.2 要求：除另有協(xié)議外，四點(diǎn)彎曲SSC試驗(yàn)用試樣尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）應(yīng)大于 115 mm×15 mm×5 mm， 對(duì)于焊管，在試樣的中心應(yīng)包括一段直焊縫或螺旋焊縫。試樣取自鋼管內(nèi)表面，在加工試樣之前壓平。

ISO 3183:2007（E）（英文版）H.7.2.3.2 要求：“Samples may be flattened prior to machining test pieces from the inside surface of the pipe”， 其中may be應(yīng)該是“可以”，并不是“要求壓平試樣”。

3.2 加載應(yīng)力分析

按照實(shí)際屈服強(qiáng)度（AYS）加載應(yīng)力值與按照名義屈服強(qiáng)度（SMYS）計(jì)算的加載的應(yīng)力值對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試樣加載應(yīng)力對(duì)比

對(duì)照表5可以看出實(shí)際屈服強(qiáng)度和名義屈服強(qiáng)度下加載應(yīng)力的差異。由于本項(xiàng)目鋼管實(shí)際屈服強(qiáng)度大于510 MPa，導(dǎo)致加載應(yīng)力（90%AYS）達(dá)到了460 MPa，基本達(dá)到了X70鋼級(jí)水平。

分析SSC試驗(yàn)存在問(wèn)題，再次試驗(yàn)。采取原有加載應(yīng)力，按照ISO 3183：2007（E）條款H.7.2.3.2試樣不再壓平，順利通過(guò)了SSC試驗(yàn)檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

X65及以上高等級(jí)鋼管的SSC性能對(duì)鋼板和鋼管的材料與加工工藝有著嚴(yán)格的要求，要滿足DEP31.40.20.37－Gen標(biāo)準(zhǔn)要求，SSC試驗(yàn)試樣加載應(yīng)力按照實(shí)際屈服強(qiáng)度計(jì)算加載應(yīng)力，需要嚴(yán)格控制鋼管屈服強(qiáng)度的上限。另外，在檢驗(yàn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制試樣制備以及試驗(yàn)過(guò)程，才能夠滿足SSC性能指標(biāo)。

[1]高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國(guó)石化出版社，2012.

[2]API SPEC 5L（第44版），管線鋼管規(guī)范[S].

[3]ISO 3183:2007（E），Petroleum and Natural Gas Industriessteel Pipe for Pipeline Transportation Systems，Second Edition[S].

[4]張國(guó)棟，諶鐵強(qiáng)，宋欣，等.高品質(zhì)抗酸管線X52MS熱軋平板的生產(chǎn)及質(zhì)量控制[C]//2014年全國(guó)軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集（上），北京：[s.n.]，2014：138-144.

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[6]Amendments/Supplements to ISO 3183:2007，Line Pipe for Critical Service[S].

[7]ISO 15156-2—2003，石油與天然氣工業(yè) 用于石油與天然氣生產(chǎn)中含H2S環(huán)境的材料 第2部分:抗裂碳鋼和低合金鋼與鑄鐵的使用[S].

[8]NACE standard TM0284:2003，Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking[S].

[9]鮮寧，劉道新，白真權(quán)，等.彎曲加載評(píng)價(jià)管線鋼SCC敏感性的有效性探討[J].石油機(jī)械，2007，35（12）：59-62.

Research on SSC Test of X65MS Steel Grade Longitudinal Submerged Arc Welding(SAWL)Pipe and Influence Factors

LIU Yaomin1,CHEN Tieqiang2
（1.Zhongyou BSS(Qinhuangdao)Petro-pipe Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,Hebei,China;2.Qinhuangdao Shouqin Metal Materials Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066326,Hebei,China）

TE988.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.006

2016-10-19

編輯：羅 剛

劉耀民（1971—），高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事焊管工藝、裝備和質(zhì)量管理。