具有抗HIC性能的X52無縫管線管的研制

趙波 ，王長順 ，陳克東 ，解德剛 ，鄭云龍 ，袁琴

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山114021；4.鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠，遼寧 鞍山114021）

我國石油和天然氣產品中H2S的濃度相對較高，管線管H2S腐蝕情況嚴重，因此對管道的抗H2S腐蝕能力要求較高[1]。H2S腐蝕的主要表現為氫致開裂（HIC）。HIC的產生機理一般認為是H2S溶于水形成溶液，與管壁金屬發生電化學反應產生氫原子，氫原子通過金屬表面，深入管體內部，在金屬內部缺陷(非金屬夾雜、元素偏析、帶狀組織等)處聚集結合成氫分子，氫分子體積增大20倍，產生巨大的內應力所致。當氫濃度很高時，顯微缺陷處的氫壓力超過材料的抗拉強度，形成氫致裂紋，當管材存在較大殘余拉應力時，HIC的形成會加劇[2]。HIC可使管線鋼在沒有任何明顯預兆的情況下突然開裂，其破壞性和危害性極大[3-5]。因此研制開發出成本低、抗HIC性能優良的管線管具有極其重要的意義。

由于具有良好抗HIC性能的無縫管線管應用于惡劣的腐蝕環境中，工作時間較長，因此要求鋼質純凈度高、成分和組織均勻、晶粒細小，且具有較低的殘余應力、碳當量和冷裂紋系數，以及優良的焊接性能和抗腐蝕性能。同時生產過程要盡量簡單、穩定、可靠，便于實施且成本低。為了滿足以上要求，鞍鋼采用在低碳鋼的基礎上加入V、Ti微合金元素的成分設計，輔以合適的冶煉、軋制和熱處理工藝，得到了各項性能均符合標準和使用要求的鋼管，解決了低碳當量、低冷裂紋系數與各項性能匹配的關鍵技術問題。

1 成分及工藝設計

1.1 技術指標

目前，被廣泛認可和應用的X級系列抗HIC管線管的基本標準，主要是美國石油協會API Spec 5L《管線鋼管規范》標準。API Spec 5L標準中對抗HIC X52 PSL2鋼級管線管化學成分要求見表1，力學和腐蝕性能的要求見表2，3。

表1 X52鋼級管線管化學成分(質量分數)要求 %

表2 X52鋼級管線管抗HIC性能要求

表3 X52鋼級管線管力學性能要求

1.2 成分設計

合理的化學成分是獲得優良性能的前提，由于C含量高會降低鋼的韌性和焊接性能，并會形成帶狀組織，影響鋼的抗HIC性能，因此應降低C含量。而由此損失的強度可通過增加Mn含量補償[6]，Mn可以提高鋼的強度、韌性，降低韌脆轉變溫度。P為雜質元素，會促進中心偏析的形成，顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉變溫度，同時還會惡化鋼的焊接性能，應盡量降低P含量。S為雜質元素，易形成硫化物，S與Mn生成的MnS夾雜是HIC最易成核的位置，加劇了H2S腐蝕的敏感性，因此S含量越少越好。同時設計加入V、Ti微合金元素，其中V可以阻止奧氏體晶粒長大，細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性，但過量的V會降低焊接部分的韌性；Ti可以阻止奧氏體晶粒長大，細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性，但當含量超過一定量時，強化效果便不明顯。因此，合理地加入V、Ti合金元素不僅可以提高其力學性能，而且成本較低。抗HIC無縫管線管的化學成分見表4。

表4 抗HIC無縫管線管化學成分（質量分數） %

1.3 冶煉及軋制工藝

在冶煉過程中要提高鋼水的潔凈度，降低S含量進而降低鋼中MnS等非金屬夾雜物的含量，并控制其形態，同時降低易偏析元素Mn和P的含量，避免帶狀組織的形成，得到細小的晶粒組織對提高鋼的抗HIC性能有顯著效果。生產中主要通過轉爐冶煉、爐外精煉（LF）、連鑄等工藝過程，獲得良好的冶金質量、合理的化學成分以及優化的夾雜物形態的鑄坯。鑄坯連軋后得到的管坯經過環形爐加熱→穿孔→MPM連軋→脫管→定徑→冷卻→矯直→探傷等工藝流程，最終包裝入庫。在整個過程中對加熱溫度、軋制節奏、變形量、出脫管溫度等關鍵性技術指標進行嚴格控制。軋制選用Φ185 mm管坯，軋制規格為Φ114.3 mm×8.56 mm。軋制工藝參數見表5。

表5 軋制工藝參數 ℃

1.4 熱處理工藝

采用淬火+回火的熱處理制度，以獲得均勻而細小的組織，避免形成帶狀組織，對抗HIC性能產生不良影響。淬火后回火的金相組織——細小彌散的球狀碳化物，具有良好的抗HIC性能[7].熱處理工藝中選擇合適的淬火溫度、淬火時間、回火溫度、回火時間等工藝參數尤為重要。首先對鋼種CCT曲線進行測定和研究，并由此選定合適的熱處理參數，制定合理的現場工藝流程，最終獲得性能穩定的管線管產品。熱處理工藝參數見表6。

表6 熱處理工藝參數

2 組織與性能

依據以上成份設計，嚴格按照設計要求的冶煉及軋制工藝、熱處理工藝流程進行現場生產，對得到的產品取樣并進行金相組織觀察、力學性能檢驗和抗HIC性能檢驗。

2.1 金相組織

熱軋態金相組織如圖1所示，組織為珠光體+鐵素體，晶粒均勻細小，晶粒度可達8.5級。由于熱軋生產中無法完全避免成分偏析及軋制變形形成的帶狀組織，而氫原子易在成分偏析處形成氫分子，并在產生足夠內應力的情況下形成鼓皰和氫致裂紋，從而對管線管抗HIC性能產生很大影響。

圖1 熱軋態金相組織

經過淬火+回火熱處理后的組織如圖2所示，為回火索氏體+少量鐵素體組織，消除了帶狀組織，有利于提高材料的抗HIC性能，且由于滲碳體呈顆粒狀，使管線管具有強度高、韌性好的綜合優勢。

圖2 試樣淬火+回火態組織

2.2 力學性能

取管線管試樣進行拉伸試驗和夏比沖擊試驗。拉伸試驗檢驗溫度為常溫、選用縱向試樣，夏比沖擊試驗檢驗溫度為0℃、選用縱向試樣。試樣尺寸為 5 mm×10 mm×55 mm。 1#（采用淬火溫度900℃，回火溫度550℃）、2#（采用淬火溫度900℃，回火溫度650℃）試樣力學性能如表7所示，其性能均滿足標準要求，拉伸性能良好，沖擊性能優異。2#試樣由于回火溫度升高，相對1#試樣拉伸性能略有下降，但沖擊性能提高。

2.3 抗HIC性能

按照NACE-0284-2003標準對試樣進行了A溶液和B溶液檢驗。試驗方法為將無應力試驗樣品置于兩種標準試驗溶液的一種中：溶液A或溶液B。溶液A為常溫、常壓下H2S飽和的氯化鈉、醋酸 (NaCl,CH3COOH)溶液；溶液B為常溫、常壓下H2S飽和的合成海水溶液。96 h后，取出試驗樣品進行評估。檢驗結果顯示1#、2#試樣均無HIC裂紋，裂紋長度率、裂紋厚度率、裂紋敏感率均為零，完全滿足標準要求，抗HIC腐蝕性能優良。

表7 具有抗HIC性能X52無縫管線管的力學性能

3 結論

（1）鞍鋼研制的X52無縫管線管鋼種化學成分、軋制與熱處理工藝參數合理可行，且成本較低，可用于規?；a。

（2）經熱處理后產品的金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，組織均勻細小，避免了可能由帶狀組織引起的HIC裂紋。

（3）該產品完全滿足API 5L標準中對強度、韌性、碳當量等方面的要求，具備良好的抗HIC性能，可作為抗HIC無縫管線管使用。

[1] 李吶，李晨光，湯智濤，等.抗H2S腐蝕管線管的開發[J].鋼管，2005，34（5）：13-17.

[2]趙平，安成強.H2S 腐蝕的影響因素（I）[J].全面腐蝕控制，2002，16（2）：5-6.

[3] 彭海紅.管線鋼抗氫致裂紋(HIC)性能影響因素淺析[J].寬厚板，2012,18（2）:28-31.

[4]章傳國，鄭磊.成分工藝對X65抗HIC管線鋼組織性能的影響[J].寶鋼技術，2015（2）:23-26.

[5] 李大航，沙慶云.抗HIC低錳X56級管線鋼的試驗研究[J].鞍鋼技術，2013（3）:25-27.

[6]冶金工業部鋼鐵研究院.合金鋼手冊（上冊）第二分冊[M].北京：冶金工業出版社，1974.

[7] 施青，殷光虹，孫元寧.無縫管線管顯微組織與抗HIC性能的關系[J].寶鋼技術，2003 （6）：54-57.