抗酸腐蚀管线钢X65MS的研制开发

供稿|文小明，陈宇 / WEN Xiao-ming， CHEN Yu

抗酸腐蚀管线钢X65MS的研制开发

供稿|文小明，陈宇 / WEN Xiao-ming， CHEN Yu

内容导读

石油天然气由于更加清洁环保，在能源市场上越来越受大众青睐，因此改善油气输送的条件与质量对开发酸性油气田有着重要作用。文章基于抗酸腐蚀管线钢的特点，针对合金元素和组织形态对力学性能、冲击韧性、落锤、维氏硬度和抗HIC性能影响进行研究，指出以铁素体/针状铁素体+少量珠光体/MA组织为主的管线钢X65MS，抗硫化氢性能稳定，各项指标均满足标准要求，是更为经济、安全与环保的油气输送管材。

抗酸腐蚀管线钢主要用于输送富含酸性介质的油气管道，对钢材的耐酸腐蚀性能、强韧性、焊接性能要求较高，对钢厂的技术水平、生产设备水平也要求严格，开发难度大。

国内抗酸腐蚀管线钢发展较晚，从20世纪90年代才逐渐开始进行研发［1-2］，首钢和宝鸡钢管都研制出了X52、X60、X65、X70抗酸性腐蚀的焊管，其中宝鸡钢管的抗H2S腐蚀X65MS焊管已批量生产并应用于阿曼管线。随着国内外酸性油气的开采及输送要求增加，对抗酸腐蚀管线钢的需求日益增加。为满足市场需求，拓展抗酸腐蚀管线钢市场，本钢研发了抗酸腐蚀管线钢X65MS。

X65MS管线钢依据低碳、纯净、均匀、细晶粒的设计思路，采用超洁净冶炼工艺和组织均质化轧制与冷却控制技术，包括深脱硫技术、氮控、全氧控制及炉外精炼技术、Si-Ca 处理技术等，得到晶粒细小均匀，带状组织、夹杂物等缺陷极少的多边形铁素体、针状铁素体以及少量富碳相组织。

化学成分

成分设计

本钢抗酸腐蚀管线钢X65MS成分设计主要采用低C、低 Mn，严格控制 P、S 杂质含量，添加微合金元素 Nb、V、Ti ，通过析出强化、细晶强化来弥补由于低C、低Mn造成的强度损失。在管线钢中加入一定量Cu元素，增加耐腐蚀性能，提高钢的抗HIC能力。并适量添加Ni、Cr、Mo等合金元素中的一种或几种，以降低γ→α转变温度，促进针状铁素体或贝氏体的形成。抗酸腐蚀管线钢X65MS具体化学成分，详见表1。

碳的影响

碳含量的增加，尤其是当低温使用的钢材中碳质量分数大于0.04%时，钢材的抗HIC性能就会降低，增加了裂纹萌生的几率。同时当碳质量分数超过 0.05%时，会加剧钢材中锰和磷元素的偏析，导致夹杂物和带状组织的形成，增加了裂纹形核的场所。因此在实际生产过程中碳质量分数的设计应当不大于0.04%。

锰的影响

锰可以提高钢的淬硬性且具有固溶强化作用，可弥补低碳造成的强度损失，还可以增强钢材抗H2S的腐蚀。适当的锰含量可以减弱硫的有害作用，提高锰碳比，可以提高钢材的抗HIC性能。但是，为了防止 HIC 的萌生，锰含量不应过高。有研究表明管线钢中的锰质量分数超过1.2%时，钢材的HIC的敏感性有明显增加［3］。因此，锰质量分数的设计不能大于1.20%。

硫和磷的影响

硫是影响钢材抗HIC和SSCC能力的主要元素。一些实验证明钢中的硫质量分数低于0.001%时，HIC敏感性显著降低，甚至可以忽略，尤其是裂纹长度率CLR几乎为零［3］。为了钢材能得到优异的抗H2S腐蚀性能，要求成品钢的硫质量分数控制在0.001%以内。

磷的偏析是影响抗H2S 腐蚀的因素。钢在凝固过程中，由于凝固前沿溶质的扩散受C元素的影响，P偏析会在枝晶间明显增多，这种现象在铸锭凝固末端更严重，会导致磷的富集，形成氢的聚集区，从而降低材料的抗HIC性能。为了得到优良的抗抗酸腐蚀管线钢，必须控制P的质量分数在0.010%以内。

微合金元素的影响

Nb、V、Ti、Mo、Cr、Ni等微量元素可以减少钢中固溶碳与细化晶粒，并形成弥散均匀分布的微小碳氮化物，有助于钉扎由其形成的高密度位错，使钢材的SSCC敏感性降低。Mo还可以使相变温度降低，阻止大的块状铁素体的形成，促使针状铁素体的生成，提高材料的抗酸腐蚀能力。殷光虹等人研究表明钢中加入 Cu、Ni 元素会提高钢在NACETM02-84 A 溶液的抗HIC腐蚀性能［3］。

表1　抗酸腐蚀管线钢X65MS的化学成分（质量分数）

生产流程

为了保证抗酸腐蚀管线钢X65MS的钢水纯净度，使钢的S和P含量降到最低，在冶炼的过程中需要采用铁水预处理、转炉冶炼以及炉外精炼等技术。为充分利用晶粒细化的效果，实现强度和韧性的匹配，需要采用控轧空冷的方式进行生产。具体的工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→精炼处理→连铸→加热→2300机组轧制→控制冷却→卷取→检验→包装缴库→发货。

炼钢

为控制较低的碳含量，减少钢中的S、P以及气体含量。冶炼必须采用双渣脱磷、低温拉碳工艺，拉碳温度控制在1630～1650℃，保证脱磷效果。而抗酸钢同时要求超低硫控制，因此精炼进站必须保证合适的温度1600℃左右，在精炼过程中完成去除夹杂物、深脱硫、成分调整、温度控制等。在升温过程中为防止精炼过程增碳，必须采用控碳深脱硫工艺。同时为满足抗酸钢连铸坯内部质量，连铸采用具备全程动态轻压下功能的铸机生产。

连铸

连铸做好全程保护浇注，使用专用保护渣，采用结晶器液面自动控制系统，确保生产过程中液面稳定，防止结晶器卷渣。为保证铸坯表面质量，浇铸过程采用恒拉速、低过热度浇铸，全程采用动态轻压下工艺。

轧制工艺

对于抗硫化氢管线加热工艺制度一方面影响Nb析出物的溶解，另一方面影响着奥氏体晶粒的长大。为了使Nb的析出物完全溶解的同时又避免奥氏体晶粒的长大，后得后续组织均匀及性能，出炉温度设定为1200℃，根据抗酸腐蚀管线钢X65MS的CCT曲线（见图1），设定终轧温度为840℃，卷取温度为480℃。

检验结果分析

为了验证抗酸腐蚀管线钢X65MS的开发研制是否成功，对其力学性能、冲击韧性、落锤、维氏硬度和抗HIC性能进行了检验。结果表明，通过良好的成分及组织形态控制，X65MS的抗硫化氢性能稳定，各项指标均满足标准要求。

力学性能检验结果

本钢抗酸腐蚀管线钢X65MS实际生产中的屈服强度、抗拉强度及伸长率等情况，详见表2。其中屈服强度在536～575 MPa范围内，抗拉强度在607～635 MPa范围内，伸长率在38.2%～42%范围内，-20℃时的冲击功值在240～430 J范围内，落锤检验的DWTT值均为100，魏氏硬度的均值为180，各项性能均满足标准要求。

图1　X65MS的CCT曲线

表2　X65MS力学性能情况

金相检验

本钢抗酸腐蚀管线钢X65MS进行金相组织分析，试样经体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀，其组织为铁素体/针状铁素体+少量珠光体/MA组织，中心偏析带较轻。金相组织如图2和图3所示。

图2　X65MS 1/4处金相组织

抗HIC检验

依据NACE TM0284—2003（国标GB/T8650—2006：管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法）对本钢抗酸腐蚀管线钢X65MS进行实验。SSCC试验结果试样外表面局部发现极小氢鼓泡。裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）、裂纹厚度率（CTR）均为0，所送检试样抗HIC性能满足CLR≤15%、CSR≤2%、CTR≤5%的性能要求，部分检验结果见表3。

图3　X65MS中心处金相组织

结束语

本钢开发的抗酸腐蚀管线钢X65MS的组织铁素体/针状铁素体+少量珠光体/MA组织，力学性能稳定，各项指标均满足要求。

1） 采用低C、低 Mn的设计理念，合理添加微合金元素 Nb、V、Ti ，通过析出强化、细晶强化弥补由于低C、低Mn而造成的强度损失。适量添加Ni、Cr、Mo等合金元素，增加耐腐蚀性能，提高钢的抗HIC能力，设计合理，合金成本较低。

2） 通过铁水预处理、转炉冶炼以及炉外精炼等冶炼技术，大大的提高了钢水的纯净度，降低了钢中的硫、磷以及气体含量。采用控制空冷技术细化了晶粒，实现了强度和韧性的良好匹配。

3） 在实际生产中，通过良好的成分及组织形态控制，抗HIC检验合格，满足CLR≤15%、 CSR≤2%、CTR≤5%的性能要求，具有稳定的抗硫化氢性能。

表3　部分HIC检验结果

［1］ 廖建国，王伟. 酸性服役条件下石油天然气输送用管L245NCS的开发. 四川冶金，2007，29（1）：23

［2］ 龚卫斌. 酸性钢管与非酸性钢管标准对比与分析. 标准科学，2012（9）：69

［3］ 殷光虹，施青，孙元宁. 管线用钢氢致裂纹（HIC）影响因素分析.钢管，2004，33（6）：20

Research and Development of X65MS Acid Corrosion of Pipeline Steel

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.11

文小明（1976—），男，毕业于包头钢铁学院钢铁冶金专业，副主任研究员，高级工程师，在本钢产品研究院热轧高强钢研究所从事钢铁品种研发工作，E-mail：bianianwxm@163.com。

摄影 陈廷琨

本钢产品研究院，辽宁 本溪 117000