超臨界二氧化碳輸送用HFW焊管開發*

畢宗岳，黃曉輝，李銀山，韋 奉，卿俊杰，王 磊，范才強，蘆 琳

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018； 2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008； 3.寶雞寶管石油專用管有限公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

目前，全球已建二氧化碳輸送管道數萬千米，其中美國約有近8 000 km二氧化碳輸送管道，其余二氧化碳輸送管道主要分布在加拿大、挪威和土耳其等國家，二氧化碳多為超臨界態輸送[1-2]。在壓力超過7.38 MPa、溫度大于31.1 ℃時，二氧化碳可以變為超臨界狀態，由于超臨界二氧化碳兼具液體的高密度和氣體的低粘度，對于大規模輸送來說，超臨界態二氧化碳管道輸送最為經濟，是最優選擇[3-4]。國外已建成的二氧化碳輸送管道設計壓力普遍為8～20 MPa，中小管徑普遍采用性價比高的高頻焊（HFW）鋼管[5-6]。而當前國內已建成的極少數二氧化碳管道采用氣相輸送，尚未采用超臨界二氧化碳輸送。二氧化碳和天然氣主要成分甲烷的物理特性差異較大，因為二氧化碳的減壓曲線存在平臺，驅動力更強，韌性斷裂擴展的敏感性更高，因此使用高韌性的鋼管才能達到止裂條件。而且二氧化碳由于相變會發生焦耳湯姆遜冷卻效應，在管道失效泄漏或放空時，密度會發生劇烈突變，在強節流效應下形成-78～-30 ℃低溫，并可能有干冰生成，導致輸送二氧化碳的鋼管母材和焊接接頭的設計溫度要低于天然氣管道，比如美國建造的“Cortez”二氧化碳管道韌性設計溫度下降到-30～-25 ℃[1,3]。所以，開發的二氧化碳管道要求具備優異的低溫抗脆性啟裂能力和抗裂紋延性擴展能力，也就是鋼管要求具有較高的低溫韌性[7]。

針對國內CCUS 示范工程超臨界二氧化碳管道輸送，寶雞石油鋼管有限責任公司聯合鋼廠設計開發出低溫性能優異的低碳中錳微合金X60M鋼級卷板，采用HFW 高頻焊工藝成功開發出X60M鋼級超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管，各項性能指標均達到較好結果，特別是低溫韌性達到目前行業超臨界二氧化碳輸送管道較高水平，為高質量CCUS 超臨界二氧化碳輸送管道工程建設提供了堅實的管材基礎。

1 卷板成分及組織設計

超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管用卷板成分設計主體思路是低碳中錳微合金化，嚴格控制硫和磷含量，減少卷板成分偏聚和組織偏析，為使HFW焊接過程中焊縫中氧化物易于排出，嚴格控制w（Mn）/w（Si）在5～7范圍內，以減少HFW焊縫中高熔點錳-硅-氧夾雜物的形成，添加適量的鈮、釩、鈦等微合金元素，可細化組織，提高板材的低溫韌性和強度，抑制HFW焊接熱影響區晶粒粗化[8-9]，此外添加鉻、鎳等合金元素可提高板材的強度，X60M鋼級超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管熱軋卷板化學成份見表1，且w（Mn）/w（Si）=6.4。

表1 X60M鋼級熱軋卷板化學成分 %

在組織設計上，采用全流程潔凈化冶煉技術，特別是LF、RH 同爐精煉、電磁攪拌和大噸位壓下技術，減少夾雜物含量和鑄坯偏析，組織為扁平細小的多邊形鐵素體（PF） +珠光體（P），無明顯帶狀偏析，而均勻細小的微觀結構可增加裂紋擴展行程，減小裂紋進一步傳播[10]。X60M 板材微觀組織如圖1 所示，晶粒度為10.5級左右，非金屬夾雜物評級未超過0.5，組織中超低的S、P 含量和較少的夾雜物控制能大幅提高低溫韌性，可抑制管道在沖擊載荷下的裂紋萌生和裂紋快速擴展，確保管道安全運行。

圖1 X60M鋼級熱軋卷板金相組織

2 HFW鋼管制造工藝研究

HFW 制管工藝主要是將熱軋卷板經過輥壓成型后，利用高頻電流的鄰近效應和集膚效應，將管材待焊接邊部快速加熱到1 300 ℃左右，在擠壓輥擠壓力作用下實現焊縫高溫連接[9]。板材邊部形狀、管材成型工藝、焊接工藝等都會對管材質量和性能造成影響。由于超臨界二氧化碳輸送管道承壓高，為了提高低溫管材的性能，需要進一步研究優化管材成型擠壓工藝、焊接工藝和熱處理工藝，開發出超臨界二氧化碳輸送用X60M鋼級的高性能Φ323.9 mm×10 mm直縫HFW鋼管。

2.1 成型工藝研究

針對開發的超臨界二氧化碳輸送用X60M鋼級Φ323.9 mm×10 mm 鋼管，鋼帶邊部采用高精度銑削工藝，確保邊部整潔，形狀一致。鋼管成型采用排輥下山成型法，依據管徑曲率和實際強度適當增大擠壓輥擠壓量。焊縫外毛刺形狀是成型擠壓量和HFW焊縫質量最直觀的反映[11]。圖2為超臨界二氧化碳輸送用X60M鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管不同擠壓量下焊縫截面和外毛刺形貌。圖2（a）中，擠壓量為4.5 mm時，擠出金屬毛刺整體呈現扁平的圓弧狀，壓倒在焊縫金屬表面，且毛刺中有較大的空洞和回流夾雜；焊縫及熱影響區均較寬，屬于典型的擠壓量不足，未能徹底擠出焊縫中的氧化物和夾雜。圖2（b）中擠壓量為5.5 mm 時，擠出金屬毛刺呈蘑菇狀覆蓋在焊縫金屬上部，并和焊縫金屬局部熔合，毛刺相對飽滿；焊縫及熱影響區寬度適宜，此種情況擠壓量合適，焊縫質量較好。圖2（c）中，擠壓量為5.75 mm 時，焊縫金屬毛刺相對較寬，焊縫中心熱影響區寬度變小，內外表面熱影響區寬度變大，易造成氧化物和夾雜擠出不徹底。所以，在此鋼級和規格下，擠壓量為5.5 mm 時，確保了HFW焊縫金屬的潔凈度較高。

圖2 不同擠壓量下焊縫及外毛刺形貌

2.2 焊接工藝研究

針對開發的超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管，為了盡可能減少或消除焊縫處的氧化物夾雜，提高焊縫韌性，通過工藝試驗和優化，焊接開口角適當減小，控制在3°～5°以便增加擠壓量；在相同擠壓力下，盡可能提高焊接速度；根據壁厚，焊接頻率調整為415～435 kHz。選擇三種焊接工藝（見表2），研究焊縫低溫韌性變化情況。圖3為不同焊接工藝下焊縫沖擊功隨溫度變化情況。可見工藝1對應的焊縫韌性最高，在-75 ℃時，焊縫夏比沖擊功仍然達到了200 J。為了進一步提高焊縫韌性，對焊縫進行930 ℃奧氏體化高溫熱處理，消除焊縫中存在的硬相組織，提高焊縫與母材組織的一致性。圖4 為工藝1 焊縫熱處理后焊接接頭的組織照片，可見熱影響區和焊縫組織均為F+PF+P組織，晶粒度均為10.5 級，晶粒細小，組織均勻，與母材基本一致，焊縫未見明顯夾雜物，確保了焊接接頭具有優異低溫韌性[6,12]。

圖3 不同焊接工藝焊縫沖擊功隨溫度變化曲線

圖4 HFW焊接接頭金相組織

表2 超臨界二氧化碳HFW焊管焊接工藝研究

3 鋼管力學性能

采用德國16 in 直縫高頻電阻焊管（HFW）生產線，在上述焊接工藝下，批量試制了超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW鋼管。

3.1 低溫沖擊韌性

采用ZWICK PSW750J 型示波沖擊試驗機，對X60M鋼級Φ323.9 mm×10 mm鋼管母材、焊縫和熱影響區分別進行系列溫度下的夏比沖擊試驗，結果如圖5 所示。在-75～0 ℃系列溫度下，母材、焊縫和熱影響區都具備較高的沖擊韌性，沖擊功都大于204 J；母材、焊縫和熱影響區的剪切面積均大于85%。表3 為-45 ℃下超臨界二氧化碳HFW 鋼管不同位置處的夏比沖擊韌性及剪切面積，可見，-45 ℃下，焊縫、熱影響區及母材的平均沖擊功，均不小于237 J，具有良好的低溫韌性。

圖5 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管系列溫度韌脆轉變曲線

表3 -45 ℃下超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管沖擊試驗結果

3.2 拉伸強度

采用ZWICK Z1200KN型萬能材料試驗機進行拉伸試驗，結果見表4。母材抗拉強度為580～620 MPa，焊縫抗拉強度為570～620 MPa，焊縫與母材抗拉強度基本一致，均高于X60鋼級要求的最低值（520 MPa）。同時，屈強比≤ 0.89，完全符合標準要求，且強度具有一定余量，能確保鋼管服役更加安全[13]。

表4 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管母材橫向、焊縫拉伸試驗結果

3.3 硬度檢測

圖6 為超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mmHFW 鋼管焊接接頭硬度分布圖，焊縫、母材、熱影響區硬度分布較均勻，均低于220HV10，管體母材最高硬度213HV10，焊縫最高硬度207HV10，焊接接頭平均硬度僅193HV10。較低的硬度值利于避免管道應力腐蝕的發生[14-15]。

圖6 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管焊接接頭硬度分布

3.4 壓扁試驗

壓扁試驗可直接反映HFW 焊管焊縫質量的控制水平和焊管綜合力學性能。取250 mm長試驗管段，進行整管壓扁試驗，依據ASTM A370-22a 標準要求，采用YH41-100C 壓扁試驗機將焊縫分別置于12 點位置和3 點位置位置進行壓扁試驗，板間距離先分別壓至0.33D和0.50D，觀察有無裂紋，再壓至貼合觀察裂紋（平板間距0 mm），如圖7所示。可見兩種情況下均未出現任何裂紋，壓扁試驗結果見表5，可以看出，試驗結果遠高于API SPEC 5L 標準要求。

圖7 HFW鋼管壓扁試驗后形貌

表5 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管壓扁試驗結果

3.5 靜水壓爆破試驗

為了進一步驗證超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管管體和焊縫承壓能力，選用長8 m 的整管試樣進行水壓爆破試驗，試驗依據SY/T 5992 標準進行，參考標準計算爆破壓力為32.11 MPa，實際試驗測得爆破壓力為39.31 MPa，高于計算爆破壓力，爆口形貌如圖8所示，起爆點位于鋼管母材上。可見管材不但具有較高的承內壓能力，而且焊縫強度不低于母材。

4 結 論

（1）采用低碳中錳微合金化設計、潔凈化煉鋼和TMCP 控軋控冷技術研制的X60M 鋼級超臨界二氧化碳輸送管用熱軋卷板，金相組織以細長扁平的多邊形鐵素體（PF）+少量珠光體（P）為主，且低溫韌性優異。

（2） 通過優化HFW 鋼管成型焊接工藝，在擠壓量5.5 mm、焊接功率400 kW 左右、焊接速度17 m/min、焊接頻率425 kHz、焊縫熱處理溫度930 ℃等工藝下，開發出X60M 鋼級超臨界二氧化碳輸送用Φ323.9 mm×10 mm HFW鋼管，力學性能完全滿足GB/T 9711 PSL2要求，管體母材及焊縫強度高，低溫韌性好，并具有高的強塑性。

（3）-45 ℃的試驗溫度下，X60M 鋼級超臨界二氧化碳輸送用Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管焊縫沖擊功為293～351 J、熱影響區沖擊功為219～315 J、管體沖擊功為248～342 J，所有試樣剪切面積為100%。當試驗溫度下降到-75 ℃時，管體、焊縫、熱影響區沖擊功均在204～350 J范圍內，剪切面積為85%～100%，管材具有優異的低溫韌性，提高了管道在低溫下的抗裂紋啟裂能力和裂紋擴展止裂能力，完全滿足超臨界二氧化碳管道設計要求，可保證管道的安全輸送。