UNS S32750焊接管线管的生产工艺研究

夏正文，徐阿敏，孙 伟，廖 军，许全光，沈 赟，丁文炎

（1.浙江天管久立特材有限公司，浙江 湖州 313012；2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012）

海洋石油平台立管要经受海浪冲击和扭曲，需要强度较高且耐点腐蚀性能良好的材料。超级双相钢因为拥有奥氏体、铁素体的双相组织和较高的耐点腐蚀系数，具有良好的机械性能和耐氯离子腐蚀性能［1-4］，而被认为是作为立管的理想材料，但在此之前，作为立管的超级双相钢焊接钢管没有在国内制造的先例。另外，超级双相钢除具有双相钢的一些特性外，特别对金属间化合物等第三相析出较为敏感，如何在焊接和热处理环节中进行工艺控制，是生产该产品的关键点之一［5］。

为此，这里以国外某石油公司向我国某公司采购的一批超级双相钢焊管作为海洋采油平台的立管为例，对其生产工艺、产品组织和性能进行分析和总结。

1 产品概况

合同产品采用材质为UNS S32750，外径为219.1 mm，壁厚12 mm，生产标准是在API Spec 5LC—2006《耐腐蚀合金管线钢管》［6］的基础上修改和增补的某石油公司内部规范DEP 31.40.20.34［7］。设计温度为0～60℃，设计压力9.8 MPa。服役环境为根据ISO 15156-3∶2009《石油和天然气工业油、气生产中含硫化氢（H2S）环境下使用的材料第3部分：耐裂化CRAs（防腐蚀合金）和其他合金》标准的酸性环境。

2 制造工艺

2.1 工艺流程

超级双相钢的焊管工艺流程：原料检验→钢板超声波探伤→刨边→成型→预焊→整圆→切割→焊接→定径→热处理→管端加工→焊缝射线检验→管端渗透检验→水压试验→酸洗钝化→成品检验→标记→包装入库。

2.2 成 型

在直缝焊管生产中，钢带边部的成型状态对焊接质量影响极大，生产难点在于对钢带边部有效施加弯矩的保证，采用传统的成型技术难以解决；而双相不锈钢的屈服强度约为普通奥氏体不锈钢的两倍，其成型难度更大。

FFX（Flexible Forming Excellent）作为新型的成型技术巧妙地利用卷贴弯曲时的张力效应，最大限度地将弯矩施加到钢带的边部；同时利用轧辊无极兼用的有利条件，可以根据钢带的强度和厚度，自由调节弯边时的成型度以实现最佳焊接条件［8］。

2.3 焊 接

相比于普通奥氏体不锈钢，双相钢熔池的流动性略差，使用普通焊接参数难以保证熔池的穿透性和盖面的稳定性，特别是在需要较高生产效率的前提下。

为此，采用等离子弧焊（PAW）和钨极氩弧焊（GTAW）复合焊接工艺［9-10］，焊缝坡口形式及焊接顺序如图1所示。首先，采用等离子弧焊进行穿透熔合，使达到单面焊接、双面成型的效果；之后，采用钨极氩弧焊进行填充和盖面，焊接采用纯氩气保护。

根据生产经验，为降低有害相析出倾向，焊接过程中尽可能采用较低的线能量，线能量最好不超过16 kJ/cm。另外，层间温度对于双相钢的焊接是至关重要的，必须控制在100℃以下，过高的层间温度将会加大有害相析出的倾向，并最终影响产品性能。

图1 焊缝坡口形式和焊接顺序

2.4 热处理

焊接之后的热处理采用感应炉对焊管整体进行固溶处理［11］，热处理温度1 050～1 120℃，水喷淋冷却至40℃以下。

所制定的生产工艺和具有的生产设备保证了超级双相钢焊管的顺利生产，且产品具有良好的外观成型质量。按照生产批次对产品进行成分和理化性能检测。

3 化学成分、组织和性能

3.1 化学成分

原材料的化学成分除氮含量和耐点腐蚀系数有特殊规定外，其余化学成分应满足ASTM A 240—2012《压力容器用耐热铬及铬-镍不锈钢钢板、薄板和钢带标准技术条件》中关于UNS S32750的规定。管材管体和焊缝的氮元素质量百分比≥0.20%，耐点腐蚀系数≥40［7，12］。焊缝的合金元素至少与母材相同或更高。

根据ASTM A 751—2014《钢产品化学分析的试验方法、规范和术语》标准对所生产的所有批次的焊管的母材和焊缝进行检测，结果完全满足上述规定。

3.2 组织及两相比例

焊接接头宏观形貌和显微组织如图2所示。从图2（a）可以看出，焊接接头的内外表面过渡光滑，无明显应力集中区域，无气孔、未焊透、未焊穿等缺陷。另外，从微观组织中观察，母材、焊缝的奥氏体相和铁素体相分布均匀，未发现σ相、碳化物相等第三相析出［13］。

图2 焊接接头宏观形貌和显微组织

标准DEP 31.40.20.34规定，母材铁素体含量应控制在40%～60%，焊缝和热影响区的铁素体含量应控制在35%～65%。

采用标准ASTM E 562—2011《用系统的人工逐点计数法测定体积因数的标准实验方法》对产品的焊缝、热影响区和母材的铁素体含量进行测定，焊缝铁素体含量为40%～49%，热影响区含量为43%～50%，母材铁素体含量为45%～50%，不同位置的铁素体含量见表1。从表1可看出，各区域的铁素体含量都满足规范要求。

表1 不同位置的铁素体含量（质量分数） %

3.3 拉伸性能

对产品的母材横向、纵向，焊缝横向进行室温拉伸试验，执行ASTM A 370—2010《钢制品力学性能试验方法和定义》标准。焊缝和母材的拉伸指标见表2。

表2 焊缝和母材的拉伸指标

从表2可以看出，焊缝、母材的屈服强度和抗拉强度都明显分别高于DEP 31.40.20.34标准要求的550 MPa和750 MPa，母材伸长率明显高于标准要求的25%，因标准对焊缝伸长率不作要求，故在检测中未加以体现。

从力学性能来看，焊缝的强度与母材的强度相当。

3.4 显微硬度

DEP 31.40.20.34标准要求母材最大显微硬度不超过330 HV10，焊缝和热影响区不超过350 HV10，最大值和最小值之差不超过100 HV10。

对产品的焊接接头取样，并根据ISO 6507-1∶2005《金属维氏硬度试验 第1部分：试验方法》标准进行显微硬度测定。结果显示：焊缝、热影响区和母材的显微硬度值分别是254.6～280.1 HV10、261.6～275.4 HV10 和 263.5～287.8 HV10，所有区域的维氏硬度都满足规范要求，未发现明显脆硬区域。

3.5 冲击性能

对产品的焊缝中心、熔合线、熔合线外5 mm和母材分别取冲击试样，试样尺寸5 mm×10 mm×55 mm，按照ASTM A 370—2010标准在-50℃温度下进行冲击试验。不同区域的冲击功分布趋势如图3所示。

3.6 耐点腐蚀性能

点腐蚀试验根据ASTM G 48—2011《使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐麻点腐蚀和抗裂口腐蚀性试验的标准方法》A法进行，在40℃温度下连续浸蚀72 h；DEP 31.40.20.34标准要求试样表面不出现点腐蚀坑，且单位面积失重不超过0.4 mg/cm2。

对所有批次产品进行点腐蚀试验，单位面积失重最大值0.085 mg/cm2，最小值0.006 mg/cm2，平均值0.045 mg/cm2，满足要求（≤0.4 mg/cm2）。

图3 不同区域的冲击功分布趋势

4 结 论

（1）生产超级双相钢焊管时，采用的FFX成型技术可获得良好效果。

（2）采用等离子弧和钨极氩弧焊复合焊接工艺在提高生产效率的同时，获得的焊缝组织和性能满足标准要求。

（3）所生产的超级双相钢焊管已应用在高端应用领域，这证明了中国制造的产品正逐步得到认同。

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