集輸管線用抗H2S腐蝕低錳X65MS焊管的開發*

李 超， 黃曉輝， 陳長青， 牛 輝， 牛愛軍， 劉海璋

（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 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

集輸管線用抗H2S腐蝕低錳X65MS焊管的開發*

李 超1,2， 黃曉輝1,2， 陳長青1,2， 牛 輝1,2， 牛愛軍1,2， 劉海璋1,2

（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 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為滿足含H2S介質油氣集輸管線用鋼管的使用要求，采用w（Mn）＝0.25%～0.5%抗H2S腐蝕卷板，通過成型和焊接工藝研究，成功開發出了低錳X65MS鋼級HFW/螺旋/直縫抗H2S腐蝕用焊管，并對試制鋼管進行了力學性能測試及HIC、SSCC試驗。力學性能檢測結果顯示，HFW/螺旋/直縫焊管0℃下焊縫沖擊功均大于80 J，且具有優異的焊縫低溫韌性和抗彎性能，管體最高硬度僅239HV10；HIC試驗結果顯示，3種焊管管體和焊縫的CSR、CLR、CTR均為0；SSCC試驗結果顯示，3種焊管管體和焊縫試樣在分別加載72%ReL和90%ReL載荷下，母材和焊接接頭均未出現裂紋或斷裂，表現出了良好的抗酸性。研究結果表明，開發的低錳X65MS鋼級HFW/螺旋/直縫抗H2S腐蝕用焊管，完全可以在含H2S的油氣輸送中安全服役。

焊管；X65MS；集輸管線；HIC；SSCC；HFW；SSAW；LSAW

Abstract:In order to meet the use requirements of oil and gas gathering pipeline containing H2S medium,by adopting H2S corrosion resistance plate rolling（w（Mn）=0.25%~0.5%）,through forming and welding technology research,it successfully developed low Mn X65MS steel grade HFW/spiral/longitudinal H2S corrosion resistance welded pipe,and carried out the mechanical properties testing,HIC test and SSCC test on the trial-manufactured steel pipe.The mechanical properties test results showed that the impact energy of HFW/spiral/longitudinal welded pipe was higher than 80 J under 0℃,and the weld was with excellent low temperature toughness and bending resistance capacity,the highest hardness of pipe body was 239 HV10;HIC test results showed that the CSR,CLR and CTR of three kinds of welded pipe body and weld all was 0;SSCC test results showed that the crack and fracture don’t appear on base metal or welded joints of 3 kinds of welded pipe,respectively under the load of 72%ReLand 90%ReL,showing excellent resistance to acid.Research results indicated that the development of low Mn X65MS steel grade HFW/spiral/longitudinal H2S corrosion resistance welded pipe,can completely realize security service in oil and gas transportation containing H2S medium.

Key words:welded pipe;X65MS;gatering pipeline;HIC;SSCC;HFW;SSAW;LSAW

硫化氫（H2S）是油氣田中最具腐蝕作用的有害介質之一，嚴重影響油氣輸送管線的使用壽命，其中氫致開裂（HIC）和硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）是酸性腐蝕的主要形式[1-2]。目前，抗酸管的國外市場主要集中在中東、東南亞和非洲等地，國內市場主要面向西南、西北等地油氣田集輸管線。針對酸性載荷條件下管材要承受強壓、大輸量酸性油氣輸送需要，同時兼顧板材經濟性，巴西CBMM公司和中信微合金化技術中心聯合開發了抗酸性能優異的多種X65MS低錳熱軋板材，并在中國進行試制和推廣[3-5]。寶雞石油鋼管有限責任公司采用抗酸性能優異的X65MS低錳熱軋板材，結合低錳板材化學成分特殊性，在成型、焊接、腐蝕等方面進行了大量試驗研究，分別成功開發出了集輸管線用低錳X65MS抗酸HFW電阻焊管、低錳X65MS抗酸螺旋埋弧焊管及低錳X65MS抗酸直縫埋弧焊管，并對試制后的3種抗酸管的力學性能和耐腐蝕性能等進行了系統研究。

1 低錳抗酸板材開發

抗酸管在惡劣的腐蝕環境中工作，服役條件有時異常苛刻。由于巴西CBMM公司和中信微合金化技術中心聯合開發的X65MS卷板采用極低的 Mn 元素（w（Mn）＝0.25%～0.5%）， 大幅度消除了Mn偏析和降低MnS鏈狀夾雜物和中心線偏析，對碳硫化鈦夾雜物的形狀進行控制，從而大幅度降低了抗酸管線鋼服役開裂風險的可能性和幾率[3]。低Mn熱軋板材主體設計思路是低C﹑低Mn以及盡可能低的S﹑P，通過添加Nb-Cr合金彌補強度，并適量添加Cu﹑Ni等合金元素中的一種或多種。w（Mn）＝0.25%時，作為試制HFW高頻電阻焊管用卷板；w（Mn）＝0.5%時，作為試制螺旋和直縫埋弧焊管用卷板/鋼板。低錳X65MS熱軋板材化學成分見表1。

表1 低錳X65MS熱軋板材化學成分 %

2 低錳抗酸管材的成型與焊接技術

2.1 抗酸焊管殘余應力控制

制管過程中產生的殘余應力會影響焊管的HIC和SSCC結果，制造過程中的內應力會促使微觀裂紋形成，像陷阱一樣吸收著H原子[4]。螺旋抗酸焊管低應力成型技術是通過調整成型輥的壓下量，控制2#輥的壓下量和點頭量，使板材產生過變形，最終管材環向殘余應力得到有效控制，或者控制為負值，即壓應力，可抵消部分管體加壓后輸送含H2S油氣時產生的拉應力。直縫抗酸焊管通過選擇適當JCO成型模具的曲率半徑，采用較小步長及較多的壓制次數，結合后期合適的擴徑工藝有利于獲得更小的殘余應力及抵抗SSCC應力腐蝕。HFW抗酸焊管通過合適的正火熱處理可降低管體殘余應力。同時，通過優化靜水壓工藝，可有效降低或消除焊管的成型及焊接后殘余應力。

試制過程中，采用鋼管環切法測量彈復量，即在低錳X65MS抗酸HFW電阻焊管、低錳X65MS抗酸螺旋埋弧焊管及低錳X65MS抗酸直縫埋弧焊管上各切取長度200 mm的管段，在管段上距焊縫100 mm處沿縱向切開，測量張開位移（即彈復量），測量結果見表2。從表2可以看出，3種抗酸管的環向張開位移分別為-20 mm、-60 mm 及-55 mm。 按照通用公式（1）～（3）[6]計算環切法測量的張開位移，推導焊管殘余應力，結果見表2。從表2可看出，3種公式計算結果基本一致，殘余應力小，并且均為壓應力。

式中：σ—殘余應力；

E—彈性模量；

D—鋼管外徑；

t—鋼管壁厚；

R—鋼管半徑；

υ—泊松比；

C—環向錯位量。

表2 低錳X65MS焊管環切法后測量張開位移及推導殘余應力

2.2 抗酸管焊接技術開發

采用普通油氣管線用的幾種X65鋼級埋弧常規焊絲焊接低 Mn（w（Mn）＝0.25%～0.5%）抗酸板材后，沖擊韌性不合格。如果采用H08C、H08E等焊絲焊接后，測量焊縫的夏比沖擊功（-10℃）大都在10～80 J。圖1所示為采用H08C普通焊絲焊接低Mn抗酸板材后的焊縫組織照片。此試樣在-10℃時，夏比沖擊功僅35 J，由圖1（a）可以看出，斷口閃閃發光，晶粒粗大，大部分區域為脆斷；由圖1（b）可以看出，斷口大部分區域屬于完全解離和準解離，少數區域有韌窩，且斷面上有較深的二次裂紋，屬于典型的脆性斷裂斷口；由圖1（c）可以看出，焊縫部位形成大量粗大的白色先共析鐵素體組織，這是由于Mn含量過低，顯著升高了焊接時的脆性轉變溫度，造成晶粒急劇長大，粗大的晶粒使裂紋途徑變短而極易擴展，極大地降低了焊縫的沖擊韌性[7]。

圖1 普通焊絲焊接低Mn抗酸板材后焊縫形貌

結合低Mn抗酸性焊管板材化學成分特點，設計開發了適用于低Mn板材的Mn-Ni-Mo-Ti-B系合金焊絲，其設計思想是通過控制焊縫淬硬性、相變溫度、晶粒度及形態達到顯微組織的改善，焊絲在降低C含量的基礎上，以固溶強化方式，通過添加合金元素Mn、Ni、Mo來提高焊縫的強度，降低貝氏體轉變上限溫度點（Bs），使多邊形鐵素體（PF）、 珠光體（P）和貝氏體（B）轉變溫度區分離，在較寬的溫度范圍內獲得針狀鐵素體（AF）和粒狀貝氏體（GB），并確保對焊縫金屬基體造成的韌性危害最小。焊絲中加入的Ni不僅耐酸，而且耐堿，Ni與Fe原子半徑接近，化學性質相近，對基體點陣造成的畸變最小，增加Ni可彌補降C降Mn帶來的強度損失，提高焊縫疲勞的斥力和低溫脆性轉變溫度[8]。適量添加Ti、B等微合金元素形核質點，控制B且促進AF的形成。綜合各種元素在焊縫金屬中的作用，根據強度、韌性、焊接性和抗H2S腐蝕等綜合性能的要求，抗酸焊絲成分設計見表3。

表3 低錳X65MS板材用抗酸Mn-Ni-Mo-Ti-B系焊絲成分設計 %

試驗研究了不同焊材匹配下的焊縫韌性變化規律，針對15.9 mm厚X65MS低Mn板材，選用Mn-Ni-Mo-Ti-B系抗酸焊絲焊接后，-10℃焊縫沖擊功分別為180 J、191 J和201 J，圖2為選用低錳X65MS抗酸焊絲焊接后焊縫組織SEM形貌。從圖2可以看出，焊縫組織主要為大量晶核內AF，同時存在少量GB，裂紋遇到AF或GB時會彎曲前行，裂紋的終止處一般也都在AF或GB部分，焊接接頭中的AF或GB有良好的止裂作用及良好的抗SSCC性能[9-10]。

圖2 低錳X65MS抗酸焊絲焊接后焊縫組織SEM形貌

3 低錳抗酸管的組織與性能

3.1 金相組織及硬度

圖3為開發的低錳X65MS鋼級HFW/螺旋/直縫抗硫化氫腐蝕用焊管焊縫金相組織。其中HFW工藝下低錳X65MS抗酸焊管焊縫組織為PF+P（圖 3（a））， 焊縫晶粒度 10.5， 焊后的正火熱處理使焊縫與母材組織均勻細小。低錳X65MS鋼級螺旋/直縫埋弧焊管焊縫組織以AF+B粒+F先為主， 如圖 3（b）、 圖 3（c）所示， 埋弧焊管焊縫形成大量的AF，AF以大角度分布，取向自由度大，并具有很高的位錯密度，這種組織使管材具有較高的強度和優良的抗斷裂性能，保證了焊接接頭的強韌性。

與氫脆抗力相關的最重要的材料因素就是硬度[11]。管材最大硬度值與HIC的優先起裂和擴展息息相關，并可預測HIC能否發生，而且當HIC裂紋擴展到硬度較低的區域時，容易停止擴展，因此控制硬度成為控制焊管抗SSCC敏感性的關鍵[12]，API SPEC 5L標準也明確要求抗酸管硬度值上限為248HV10。低錳 X65MS焊管焊接接頭硬度分布如圖4所示。

圖3 低錳X65MS焊管焊縫金相組織

由于板材中沒有Mo，低錳導致板材的冷裂紋敏感系數Pcm很低，可有效控制焊接接頭的微觀結構。本次試制的低錳X65MS HFW焊管焊縫經過正火熱處理，硬度如圖4（a）所示，管體及焊接接頭最高維氏硬度僅229HV10，焊縫及熱影響區由于正火后晶粒略有長大，平均硬度僅178HV10。低錳X65MS鋼級螺旋/直縫埋弧焊管焊縫硬度如圖4（b）和圖 4（c）所示， 管體及焊接接頭最高維氏硬度僅239HV10，都低于標準要求248HV10，由于焊管的抗H2S腐蝕能力隨著硬度的降低而提高，硬度值越低，臨界應力值就越高，斷裂時間就越長，較低的硬度促使低錳焊管抗腐蝕能力得到提高。

3.2 力學性能

表4和表5為開發的低錳X65MS鋼級HFW/螺旋/直縫抗硫化氫腐蝕用焊管力學性能測試結果。由表4和表5可以看出，管體及焊縫均具有較高的強度和韌性，符合API SPEC 5L（45版）標準要求。特別是在高強度下具有較高的韌性和低的屈強比，屈強比越小，環向應變允許值越大，在含H2S油氣運行時，管體對缺陷的容忍能力就越大，管體服役安全性高。0℃下母材夏比沖擊功為299～446 J，焊接接頭沖擊功均大于80 J；0℃下母材DWTT剪切面積均在98%以上，HFW焊縫壓扁和埋弧焊管焊縫正、反彎均未出現裂紋。

表4 低錳X65MS管母橫向、焊縫拉伸試驗結果

表5 低錳X65MS焊管沖擊、DWTT及彎曲試驗結果

4 低錳抗酸管抗腐蝕性能

4.1 HIC試驗

依據美國腐蝕工程師協會標準NACE TM 0284—2011《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》，在飽和H2S環境下對3種低錳X65MS鋼級HFW/螺旋/直縫焊管進行試驗，溶液初始pH值為2.7，試驗結束時pH值為3.7，浸泡96 h后，取出試樣進行宏觀檢測，所有試樣外表面未發現氫鼓泡和裂紋，如圖5所示。對試樣切開剖面后，拋光剖面，用顯微鏡進一步觀察剖面裂紋。結果表明，管母和焊接接頭所有試樣的每個剖面上均無HIC裂紋，裂紋敏感率CSR、裂紋長度率CLR和裂紋厚度率CTR測試結果均為0，完全符合NACE TM 0284—2011標準要求的CSR≤2%、CLR≤15%、CTR≤5%。可見，開發的3種低錳耐H2S腐蝕焊管管母和焊接接頭對HIC不敏感。

圖5 低錳X65MS焊管焊接接頭HIC試驗后照片

4.2 SSCC試驗

依據美國腐蝕工程師協會標準NACE TM 0177—2005《金屬材料在含H2S環境中抗硫化物應力腐蝕開裂性能試驗方法》，對3種低錳X65MS鋼級HFW/螺旋/直縫焊管進行四點彎曲試驗，A溶液（H2S飽和5%NaCl+0.5%冰乙酸），試驗前溶液pH值為2.7，試驗后pH值為3.9。管母和焊接接頭試樣分別在72%ReL、90%ReL水平應力下加載720 h。試驗結果表明，在兩種應力載荷下，所有試樣管母和焊接接頭均未發生SSCC開裂。圖6為90%ReL應力下，720 h SSCC試驗后焊接接頭形貌。可見，開發的3種低錳X65MS鋼級HFW/螺旋/直縫焊管管母和焊接接頭均具有優異的抗SSCC性能。

圖6 低錳X65MS焊管焊接接頭加載90%ReLSSCC試驗后照片

4.3 溝槽腐蝕試驗

HFW焊管中焊接接頭是最薄弱的部位，在腐蝕、應力及磨損等苛刻的作業環境中，一般焊縫區域比熱影響區和管母具有更高的活性，焊接區將會優先產生溝槽腐蝕，因此焊縫區壽命決定了HFW焊管的使用壽命[13-15]。采用CS37型電化學工作站進行溝槽腐蝕試驗，選用三電極體系（輔助電極為Pt），在3.5%NaCl中性溶液中施加-550 mV的恒電位，圖7為測量得到的HFW焊管焊縫溝槽腐蝕敏感性系數，3個剖面分別為1.10、1.12、1.06，平均值僅為1.09，遠小于行業技術要求中的1.3。圖8為溝槽腐蝕后試樣表面形貌。試樣表面相對均勻，比較光滑，沿焊縫長度方向腐蝕溝槽不明顯，沒有密集的腐蝕小坑，表明開發的低錳X65MS抗酸HFW焊管溝槽腐蝕敏感性系數很小，具有優異的抗溝槽腐蝕能力。

圖7 低錳HFW焊管溝槽腐蝕后敏感系數

圖8 溝槽腐蝕后試樣表面形貌

5 結 論

（1）通過成型及焊接工藝優化和控制，開發的3種低錳 X65MS抗酸HFW/螺旋/直縫焊管，各項力學性能滿足X65鋼級要求，完全符合API SPEC 5L（45 版）標準要求。

（2）開發出了低Mn板材埋弧焊用抗酸性Cr-Mo-Ni-Ti-B焊絲和低殘余應力控制技術，確保低錳X65MS抗酸螺旋/直縫焊管焊接接頭具有良好的強韌性，又確保3種管材具有有較低的殘余應力。

（3）經過HIC和SSCC腐蝕評估試驗，3種低錳X65MS抗酸ERW/螺旋/直縫焊管的管母、焊接接頭表面均未發現氫鼓泡，HIC裂紋率均為零，在90%ReL應力條件下，管母、焊接接頭SSCC試樣表面均無裂紋，表明開發的3種低錳焊管均具有優異的抗HIC性能和抗SSCC性能。

（4）溝槽腐蝕試驗結果顯示，低錳X65MS HFW焊管焊接接頭溝槽腐蝕系數平均值僅為1.09，溝槽腐蝕敏感性系數極小，表明開發的低錳X65MS HFW焊管完全可以安全輸送含H2S油氣。

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Development of Low Mn X65MS Grade H2S Corrosion Resistance Welded Pipe Used for Gathering Pipeline

LI Chao1,2,HUANG Xiaohui1,2,CHEN Changqing1,2,NIU Hui1,2,NIU Aijun1,2,LIU Haizhang1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TG113.23

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.003

2016-11-18

編輯：羅 剛

國家科技支撐計劃“高強度耐腐蝕石油天然氣集輸與輸送用管線鋼生產技術”（2011BAE25B03）；中信微合金化技術中心資助(CITIC-CBMM)“低錳耐酸管線鋼X65工業試制和性能評價”。

李 超（1982—），男，工學學士，助理工程師，主要從事油氣輸送用焊接鋼管方面的技術工作。