3Cr钢高频焊管性能试验研究

李博锋， 王 荣， 杨 楠， 张 君， 权 勇

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065；2.中国石油装备制造分公司，北京100007；

3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

0 前 言

油气开发和集输使用的管材主要包括碳钢、低合金钢以及用于含H2S/CO2苛刻腐蚀环境的不锈钢及耐蚀合金，如13Cr马氏体不锈钢、22Cr双相不锈钢以及镍铬基合金等［1］。近年来针对一些CO2含量不是太高，使用碳钢管材无法抵抗腐蚀，但利用不锈钢管材则成本过高的工况条件，研究开发出具有一定抗CO2腐蚀性能，且能够降低投资成本的低Cr管材，在油气集输和长输管线方面具有广泛的应用前景，在油气管材开发方面引起广泛了关注［2-6］。本研究通过对试制的3Cr钢高频感应焊接钢管组织及性能的分析，为低Cr钢管材在油田现场的推广应用提供参考。

1 试样制备

试制所用原料为壁厚5mm，w（Cr）=3%的低Cr钢卷板，其主要化学成分见表1。

将卷板经HFW焊接制成φ60.3 mm×5 mm的焊管，随后对焊缝进行930℃正火热处理。从试制焊管上截取焊缝及母材金相试样，经磨制抛光后用体积分数为4%的HNO3酒精溶液腐蚀，利用Leica DMI5000M金相显微镜观察组织及焊缝金属流线形貌，采用Durascan 70硬度计从焊缝熔合线向两侧测试焊接接头硬度。依据ASTM A370标准进行全管体拉伸试验及压扁、扩口试验。采用HDV7C型恒电位仪，在体积分数为3.5%的NaCl中性水溶液腐蚀环境中，通过恒电位电化学极化方法评价焊缝沟腐蚀敏感性。通过常温常压腐蚀试验测试管体在CO2腐蚀环境的耐蚀性，采用扫描电镜对腐蚀产物形貌及成分进行分析。

表1 3Cr钢的化学成分 %

2 试验结果分析

2.1 焊缝金相分析

高频感应焊接时，加热过程中的第二相粗大树枝晶在挤压辊挤压力作用下，沿焊缝熔合线向两侧四个角度的变形方向作定向伸长，如图1所示。这种较对称的羽毛状（或树枝状）结晶组织称作金属流线。通过测量金属流线升角大小以及熔合线宽度，能够很好地判断焊接过程热输入、挤压力和焊接速度等参数控制的稳定性，从而达到分析焊缝质量的目的［7-8］。

图1 高频焊缝金属流线

金属流线升角及熔合线宽度测量方式如图2所示。分别测量熔合线两侧壁厚1/4t方向处金属流线升角以及内、外壁侧和壁厚中部的熔合线宽度。所测流线升角分别为58°，60°，62°和66°，表明熔合线两侧金属流线对称性良好，且符合文献［7］中提出的50°～80°的控制范围。壁厚中部熔合线宽度fn=60.07μm，符合文献［7］中提出的20～140μm的控制范围；内壁侧熔合线宽度fi=80.62μm，外壁侧宽度fo=88.06μm，符合文献［7］中提出的控制要求。合理的流线升角和熔合线宽度控制，说明焊接过程工艺参数稳定，焊接质量良好。

图2 金属流线升角和熔合线宽度的测量位置及方式

2.2 显微组织

3Cr钢高频感应焊管焊缝及热影响区显微组织如图3所示。从图3中可以看出，焊缝及热影响区组织均以铁素体和贝氏体为主，且组织分布均匀，晶粒较细。这是因为通过焊后正火热处理使得焊缝及热影响区的粗晶组织发生完全奥氏体化转变，并在随后的冷却过程进行重结晶，使组织得到很好的改善和细化［9］。此外，Cr的加入也能减少共析铁素体，使针状铁素体逐渐被贝氏体所替代，进而使热影响区得到了一定的细化［10］。管体母材组织如图4所示，从图4可以看出，母材组织同样以铁素体和贝氏体为主，通过扫描电镜进一步分析可以发现在组织中还存在少量M/A组元。

图3 3Cr钢焊缝及热影响区组织形貌

图4 3Cr钢管体母材组织形貌

2.3 硬度

沿熔合线两侧进行维氏硬度测试，结果如图5所示。测试结果表明，3Cr钢高频焊管焊缝、热影响区和母材硬度基本控制在190～230HV0.5范围内，各区域硬度差异不大。这是由于通过焊后热处理有效降低了焊缝及热影响区硬度，使其与母材趋于一致。另外，对于油气管线，使用时一般要求材料的硬度低于270HV0.5，当硬度值高于270HV0.5时可能存在风险，因此该管材硬度符合上述衡量标准［11］。

图5 硬度测试结果

2.4 力学性能

对管材进行一系列拉伸、压扁及扩口试验，结果显示，管体屈服强度为500 MPa，抗拉强度为600MPa，延伸率为35%。压扁试验时，试样压扁至标准要求的32 mm的压板间距，内外表面均未产生裂纹或断裂，继续压扁至内表面贴合后未发现焊缝未熔合或母材分层现象。对试样进行25%扩口试验时，焊缝及母材未发现裂纹或裂口现象。表明管材在具有较高强度的同时，还具有良好的塑性指标。

2.5 沟槽腐蚀敏感性试验

高频感应焊缝区由于与母材存在成分、组织结构及应力分布状态等差异，导致其耐腐蚀性通常比母材的差，焊缝区会出现明显的选择性腐蚀，即沟槽状的腐蚀形态，这种现象称为 “沟槽腐蚀”［12-13］。为了评价3Cr钢高频感应焊缝抗沟槽腐蚀敏感性，通过恒电位电化学极化方法进行沟槽腐蚀试验，试验仪器为HDV7C型恒电位仪，恒温水浴、盐桥、饱和甘汞电极等。采用三电极系统对试样施加－550mV（相对于饱和甘汞参比电极，SCE）极化电位进行阳极极化，极化时间为144 h。试验溶液为3.5%NaCl中性水溶液，采用分析纯NaCl和蒸馏水配制，pH值为6.5～6.9，更换溶液时间12 h，溶液不需除氧，无流动。环境气压0.1 MPa，温度30℃。

试验后在金相显微镜下按照图6所示分别测量试验后焊缝的腐蚀深度h2和母材的腐蚀深度h1，并按照公式α＝h2/h1计算焊缝沟槽腐蚀敏感系数α，试验结果见表2。从表2中可以看出，3Cr钢高频感应焊缝沟槽腐蚀敏感系数均小于1.3，表明焊接接头具有良好的耐沟槽腐蚀性能［14-15］。

图6 沟槽腐蚀试样数据测量方式

表2 沟槽腐蚀敏感性系数检测结果

2.6 常温常压腐蚀试验

对试制的3Cr钢管体母材取样，进行常温常压腐蚀模拟试验。试验在方形密闭容器中进行，试验时向溶液中通入纯CO2气体，使其达到饱和。试验温度为常温，压力为常压，溶液pH值为4.22，试验时间168 h。腐蚀介质主要化学成分见表3。

表3 腐蚀介质化学成分

试验后经失重分析，3Cr钢管体腐蚀速率为0.118 mm/a，通过扫描电镜观察腐蚀产物形貌如图7（a）所示，发现试样表面覆盖有大量的颗粒状腐蚀产物，颗粒呈针状分布，局部出现少量腐蚀坑。能谱分析结果表明腐蚀产物主要为Ca，Fe，Cl和O等元素。

图7 母材常温常压腐蚀产物形貌及成分

3 结 论

（1）试制的3Cr钢高频感应焊管焊缝金属流线升角及熔合线宽度控制合理，焊缝、热影响区组织均以铁素体及贝氏体为主，组织均匀细小，扫面电镜分析发现母材组织以铁素体和贝氏体为主，并存在少量M/A组元。

（2）拉伸、压扁及扩口试验表明，试制的3Cr钢高频感应焊管满足较高强度的同时并具有良好的塑性。

（3）恒电位电化学极化方法进行的沟槽腐蚀试验结果表明，焊缝沟槽腐蚀敏感系数均小于1.3，说明焊接接头具有良好的耐沟槽腐蚀性能。

（4）常温常压腐蚀试验表明，管体腐蚀速率为0.118mm/a，通过扫描电镜对腐蚀试样表面观察发现，试样表面覆盖有大量的颗粒状腐蚀产物，腐蚀产物主要由Ca，Fe，Cl和O等元素组成。

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