低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管性能研究*

黄晓辉，毕宗岳，张永青，刘海璋，牛 辉，王 晰，徐小刚，陈长青

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.中信金属有限公司，北京 100004；3.宝鸡住金石油钢管有限公司，陕西 宝鸡721008）

低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管性能研究*

黄晓辉1，毕宗岳1，张永青2，刘海璋1，牛 辉1，王 晰3，徐小刚3，陈长青1

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.中信金属有限公司，北京 100004；3.宝鸡住金石油钢管有限公司，陕西 宝鸡721008）

为了满足酸性载荷条件下管材能够承受高压、大流量酸性油气输送需要，采用抗酸性能优异的低Mn高Nb热轧板卷，经过优化和控制成型及焊接工艺，开发出耐酸性Ф323.9mm×9.5mm HFW焊管。力学性能检测结果表明，试制焊管的性能达到了X70钢级的标准要求，－40℃下焊缝冲击功大于136 J，管环压扁到平板相贴时焊缝区域未见任何裂纹，且管体最高硬度仅229 HV10。HIC腐蚀试验表明，管母和焊接接头表面均无氢鼓泡，剖面裂纹率均为零。SSCC腐蚀试验和沟槽腐蚀试验结果均符合相关要求。可见开发的X65MS耐酸性HFW焊管具有十分优异的抗HIC/SSCC性能和抗沟槽腐蚀性能，可以在含硫化氢的油气输送中安全服役。

焊管；HFW焊管；X65MS管线钢；HIC；SSCC；沟腐蚀；包辛格效应

硫化氢（H2S）是石油和天然气中最具有腐蚀作用的有害介质之一，严重影响着油气输送管线的使用寿命，其中氢致开裂（HIC）和硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）是酸性腐蚀的主要形式[1-2]。目前勘探的天然气资源中含有相当大比例的硫化氢成分，严重制约着油气输送管道的安全服役。由于严格的服役条件和风险，世界范围内具备大规模生产耐酸管的管厂较少，如欧洲钢管，日本JFE等。这些制管企业处于制管行业领导者地位，最高可生产X65/X70耐酸管[3]。针对酸性载荷条件下管材要承受高压、大流量酸性油气输送需要，同时兼顾板材经济性，巴西CBMM公司和中信金属有限公司联合开发了抗酸性能优异的X65MS低Mn高Nb热轧板卷[4]，并在中国进行试制和推广。宝鸡石油钢管有限责任公司采用抗酸性能优异的低Mn高Nb热轧板卷，结合抗酸板卷化学成分特殊性，成功开发出了低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管，并对试制后的抗酸管力学性能和腐蚀性能等方面进行系统研究。

1 试验材料和试验方法

耐酸管在恶劣的腐蚀环境中工作，服役条件有时异常苛刻。由于巴西CBMM公司和中信金属有限公司联合开发的X65MS板材采用低Mn、Nb-Cr合金化设计理念[4]，添加了极低的Mn（Mn的质量分数为0.25%），以大幅度消除Mn偏析和降低MnS链状夹杂物，在高温轧制过程中，对碳硫化钛夹杂物的形状进行控制，从而大幅度降低了耐酸管线钢服役开裂风险的可能性和几率。同时，依靠添加高的Nb-Cr等合金，弥补和提高板材强度。低Mn高Nb耐酸性X65MS热轧板卷化学成分见表1。

表1 低Mn高Nb耐酸性X65MS热轧板卷的化学成分 %

HFW焊管是利用高频电流的集肤效应和邻近效应，将热轧板卷经过排辊成型后，加热熔化管坯边缘，在挤压辊的压力下进行管材焊接[5]。本次试制采用德国406.4mm（16 in）直缝高频电阻焊管（HFW）生产线，投入的生产原料为低Mn高Nb耐酸性X65MS热轧板卷1卷（质量约20 t），经过纵剪后板卷宽度1 011mm，经超级活套后，通过优化排辊成型方式、优化焊接和焊缝热处理工艺等主要工序进行了Ф323.9mm×9.5mm HFW直缝焊管试制，HFW焊管制管工艺参数见表2。

表2 低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管试制工艺参数

油气管线管能否采用低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管的关键在于制造的管材性能是否满足管线使用的力学性能和耐腐蚀性能要求。依据API SPEC 5L（45版）附录H酸性服役条件PSL2钢管的订购标准要求，对试制的Ф323.9mm×9.5mm低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管的力学性能进行检测；并依据美国腐蚀工程师协会的标准要求，对该试制管的耐腐蚀性能进行检测。

HIC试验按照NACE TM 0284《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》要求，进行96 h的HIC试验后，对试样抛光面放大100倍进行观察，检查是否有裂纹，并按式（1）～式（3）分别计算试样的裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）和裂纹厚度率（CTR）。SSCC试验依据NACE标准TM0177《金属材料在含H2S环境中抗硫化物应力腐蚀开裂性能试验方法》进行，将试样连同夹具一起放进试验容器中，在载荷应力下进行720 h的SSCC试验后，观察管母、焊缝和热影响区的SSCC试样是否断裂，并放大10倍对试样的拉伸外表面进行检查，判定是否有开裂现象。

式中：a—裂纹长度，mm；

b—裂纹厚度，mm；

W—试样宽度，mm；

T—试样厚度，mm。

依据 Q/SY-TGRC26—2011《ERW 钢管沟腐蚀实验室测试方法》进行沟槽腐蚀试验，采用恒电位电化学极化方法进行144 h后，清洗试样并用激光扫描沟槽腐蚀深度，计算沟槽腐蚀敏感性系数α，按式（4）计算。一般认为，当α＜1.3时，焊管具有低的沟槽腐蚀敏感性。

式中：h2—腐蚀试验前的原始表面到腐蚀沟底的深度；

h1—母材的腐蚀深度。

2 耐酸管的力学性能

2.1 韧性试验

压扁试验和夏比冲击试验可直接反映HFW焊管焊缝质量的控制水平，从而为后期制管工艺提供快速的指导[5]。压扁试验可反映焊缝的综合力学性能，压扁状态越好，焊缝韧性越高，焊缝抗拉强度也越高。依据ASTM A370—2012a标准要求，采用YH41-100C压扁试验机将低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管焊缝分别置于3点钟和6点钟位置进行压扁试验，直到将试样压扁至相对管壁接触时，焊缝和管体都未出现裂纹。

低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管压扁试验结果见表3。由表3可见，压扁试验结果远高于API SPEC 5L中“间距≥0.50D，焊缝不应出现裂纹；间距≥0.33D，母材不应出现裂纹”的要求。采用ZWICK PSW750J型示波冲击试验机对HFW焊管进行夏比冲击试验，结果如图1所示。由图1可见，0℃下，焊缝、HAZ及钢管母材的冲击功均在288 J以上，-40℃时的冲击功均在136 J以上。冲击功越高，剪切面积也越好。优异的低温韧性会使裂纹起裂和扩展进而发生HIC失效的机会减少，对SSCC也有极强的抗力。采用JL-50000型落锤式冲击试验机进行落锤撕裂（DWTT）试验，0℃下HFW焊管管体 DWTT撕裂剪切面积为99%～100%，DWTT性能均符合API SPEC 5L标准要求。

表3 低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管压扁试验结果

图1 低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管系列温度夏比冲击试验结果

2.2 拉伸性能

依据ASTM E8《金属材料拉伸试验方法》要求，采用ZWICK Z1200KN型万能材料试验机，对低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管进行拉伸试验，结果见表4。由表4可见，焊管母材横向及焊缝强度完全符合标准要求，且具有一定的富余量，试制的焊管性能基本达到X70钢级的标准要求。有研究表明，钢的抗拉强度在300～800 MPa时均有可能发生HIC裂纹，所以强度与HIC敏感性之间的关系还没有确定[6]。

表4 低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管母材横向和焊缝的拉伸试验结果

2.3 硬度检测

硬度是与氢脆抗力相关的最重要的材料因素。管材最大硬度值和最大夹杂物长度值与HIC的优先起裂和扩展息息相关，并可预测HIC能否发生，而且当HIC裂纹扩展到硬度较低的区域时候，会停止扩展[7]，因此控制硬度成为了控制管材抗SSCC敏感性的关键[3]，API SPEC 5L标准也明确要求耐酸管硬度值上限为248 HV10。由于板材中没有Mo，且板材的冷裂纹敏感系数Pcm很低（仅0.1%），可有效控制焊接接头的微观结构。本试制的低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管焊缝经过正火热处理，热处理区域宽度18～26mm，促使焊接接头更多的氢逸出，既消除内应力，又预防Ⅱ型SSCC（典型氢脆开裂）的发生[2]。

管体及焊接接头维氏硬度分布如图2所示。由图2可见，焊管母材最高硬度仅229 HV10，焊缝及热影响区由于正火后晶粒略有长大，平均硬度仅178 HV10，都远低于248 HV10，由于焊管的抗硫化氢腐蚀能力随着硬度的降低而提高，硬度值越低，临界应力值越高，断裂时间越长，控制硬度可促使低Mn高Nb耐酸性HFW焊管的抗腐蚀能力得到提高。

图2 低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW管体和焊接接头的硬度分布

3 抗酸管耐腐蚀性能

3.1 HIC/SSCC腐蚀试验

耐酸钢管的HIC和SSCC试验是两项最为重要的腐蚀试验指标，上述低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管的成分设计、韧性及硬度等要求都是为了保证焊管具备优良的HIC和SSCC腐蚀试验结果。

采用美国CORTEST集成式HIC/SSCC测试系统，按照NACE TM 0284—2011要求对低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管进行HIC试验。A溶液（0.5%乙酸+5%NaCl蒸馏水的硫化氢饱和溶液）的pH初始值为2.7，结束时为3.7，经过96 h浸泡试验后，肉眼观察焊管母材和焊接接头试样，表面均无氢鼓泡，采用Zeiss光学显微镜放大100倍对每个试样的三个抛光面进行微观查看，所有试样均无裂纹，CSR，CLR及CTR均为0，试验结果及相关标准要求见表5。由表5可见，焊管母材和焊接接头抗HIC性能均符合且高于标准要求。

表5 低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管HIC敏感参数测试结果

评价结果表明，试制的低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管对HIC不敏感。

采用四点弯曲试样（FPBT），按照NACE TM 0177—2005要求对低 Mn高 Nb耐酸性 X65MS HFW焊管进行SSCC试验。截取试样时尽量靠近管材内表面。A溶液（0.5%乙酸+5%NaCl蒸馏水的硫化氢饱和溶液）的pH初始值为2.7，结束时为3.8。对焊管母材和焊接接头每组试样分别在100%规定屈服强度（SMYS）下加载720 h进行SSCC试验评估。加载应力试验后的试样宏观照片如图3所示。试样经清洗后，采用Zeiss光学显微镜放大10倍对拉伸面进行检查，所有试样在厚度方向无明显的可见裂纹[8]。评价结果表明，试制的低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管母材和焊接接头的相关性能均高于72%SMYS应力下不失效的标准要求，显示出焊管母材和焊接接头优异的抗SSCC性能。

图3 HFW焊管焊接接头100%SMYS应力条件下SSCC试验后形貌

3.2 沟槽腐蚀试验

HFW焊管中焊接接头是最薄弱的部位，在腐蚀、应力及磨损等苛刻的作业环境中，一般焊缝区域比热影响区和母材具有更高的活性，焊接区将会优先被腐蚀而产生沟槽腐蚀，因此焊缝区决定了HFW焊管的使用寿命[9-11]。采用CS37型电化学工作站进行沟槽腐蚀试验，选用三电极体系（辅助电极为Pt），在3.5%NaCl中性溶液中施加－550 mV的恒电位，测量得到焊缝的沟槽腐蚀敏感性系数见表6。由表6可见，沟槽腐蚀敏感性系数平均值为1.06，远小于1.3，表明开发的低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管具有优异的抗沟槽腐蚀能力。采用德国LSM－700激光共聚焦显微镜对沟腐蚀后试样进行激光光路扫描（CSLM）分析，沟槽腐蚀试样表面形貌如图4所示，图4中不同颜色代表腐蚀后表面的高低差，即腐蚀深度。由图4可见焊缝中心及附近颜色差别较小，焊接接头附近趋于均匀腐蚀。沟槽腐蚀后沟附近二维表面如图5所示，由图5可见焊缝中心一条被腐蚀的宽沟，附近是明显的点蚀坑，但具有很小的沟槽腐蚀敏感性系数。

表6 HFW焊管沟槽腐蚀敏感性系数α试验结果

图4 沟槽腐蚀后试样表面的形貌

图5 沟槽腐蚀后沟槽附近的形貌

4 讨 论

包辛格效应导致钢管屈服强度下降，形变硬化导致钢管屈服强度升高。当板卷制作成低Mn高Nb耐酸性 X65MS Ф323.9mm×9.5mm HFW直缝焊管后，发生了图6所示的强度变化正态分布。由图6可见，焊管母材横向屈服强度平均降低23 MPa，横向抗拉强度平均增加18 MPa。一般直缝管壁厚/直径比（t/D）变小，应变量减小，钢管与板材屈服强度的差值就变小，同时也会导致扩散氢含量减少，对抗HIC性能就会变强[12]。本次试制的HFW焊管t/D=0.029，拥有较小t/D，同时经过焊缝较宽的正火处理，会导致部分氢逸出，从而进一步提高了管材的抗HIC敏感性。

图6 包辛格效应引起的HFW焊管强度变化的正态分布

优异的HFW焊管抗腐蚀能力与板材的显微组织、成分等工艺等密不可分。采用德国LEICA DMI 5000M金相显微镜，对X65MS耐H2S腐蚀HFW焊管焊接接头进行金相分析，结果如图7所示。由图7可见，焊管母材组织为多边形铁素体+珠光体+少量B粒（PF+P+B粒），晶粒度11，热影响区和焊缝组织都为PF+P，晶粒度都是10。PF组织对抗HIC大有裨益，焊管母材和焊接接头整体具有良好低温韧性的细晶粒，组织均匀，晶界干净，细小的显微组织可使管体具备优异的韧性而具有高的抗SSCC腐蚀破坏能力[3]。焊接接头晶粒经过热处理虽然稍微有所长大，但焊缝中心及附近受金属挤压形成的流线变得极其稀少，极不明显，表明焊缝中心碳扩散到HAZ很少，有效消除了焊接过程中焊缝和HAZ形成的组织差别，有效消除了焊缝脱碳产生的不均匀组织[13]，也表明焊后的正火工艺已将低Mn高Nb耐酸性HFW焊缝和母材组织基本均匀化和无缝化，减少了焊接残余应力，提高焊缝的抗沟槽腐蚀性能。

同时，HFW焊管焊缝及附近相同的化学成分和相似的微观组织，使得焊接接头不同区域腐蚀速率差异较小，具有了优异的抗沟槽腐蚀性能[6]。焊接接头沟槽腐蚀后的扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）如图8所示。 由图8（a）的 SEM可见，沟内已形成一层致密的保护膜，由图8（b）的EDS可见，沟槽内主要存在大量Cr和Cu等，Cr和Cu有助于沟槽内表面钝化膜和腐蚀产物膜的形成，阻碍腐蚀反应。虽然有学者认为Cr和Cu在pH值较低情况下，Cu对抗HIC效果不明显，但也有专家持相反态度，认为同时添加Cu和Cr有益于降低酸性条件下的氢吸收[14-15]，但Cr和Cu在3.5%NaCl中性溶液中却具有优异的抗腐蚀性能，再加上低Mn高Nb耐酸性板材极大降低了对沟槽腐蚀敏感性影响最大的Mn和S的含量，确保了低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管能获得优异的抗沟槽腐蚀能力。

图7 X65MS耐H2S腐蚀HFW焊管焊接接头金相微观组织

图8 HFW焊管沟槽腐蚀后SEM和EDS能谱图

5 结 论

（1）通过成型和焊接工艺优化和控制，开发的低Mn高Nb耐酸性X65MS Ф323.9mm×9.5mm HFW焊管各项力学性能满足X65钢级要求，强韧性甚至达到X70的性能要求，完全符合API SPEC 5L的要求，特别是具有优异的焊缝冲击低温韧性和压扁性能，－40℃下焊缝冲击功大于136 J，管环压扁到平板完全相贴时候，全部焊缝未见裂纹。

（2）低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管经过优化的正火工艺后，焊接接头晶粒细小，组织均匀，晶界干净，且焊接接头硬度较低，确保焊接接头具备一定的抗SSCC性能。

（3）经过HIC和SSCC腐蚀评估检测，焊管母材、焊接接头表面均未发现氢鼓泡，HIC裂纹率均为零，在100%SMYS应力条件下，焊管母材、焊接接头SSCC试样表面均无裂纹，表明开发的低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管具有优异的抗HIC性能和抗SSCC性能。

（4）沟槽腐蚀试验结果显示，焊管焊接接头沟槽腐蚀平均值仅为1.06，焊接接头具有很小的沟槽腐蚀敏感性系数，焊接接头区域腐蚀形式为点蚀和均匀腐蚀，表明开发的低Mn高Nb耐酸性X65MS HFW焊管完全可以安全的输送含硫化氢的油气。

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Research on Properties of X65MS Low Mn High Nb Sour Resistance HFW Pipe

HUANG Xiaohui1，BI Zongyue1，ZHANG Yongqing2，LIU Haizhang1，NIU Hui1，Wang Xi3，XU Xiaogang3，CHEN Changqing1
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China；2.CITIC Metal Co.,Ltd.,Beijing 100004，China；3.Baoji SMI Petroleum Steel Pipe Corporation，Baoji 721008,Shaanxi,China）

Under acidic loading condition,in order to make steel pipe meet the requirements of transporting large flow acid oil and gas under high pressure,adopting low Mn high Nb acid resistance hot-rolled coil,after optimization,forming control and welding technology,the low Mn high Nb X65MS acid resistance Ф323.9mm×9.5mm HFW pipe was developed.The mechanical properties test results indicated that the performance of trial-produced welded pipe reach X70 steel grade standard requirements,the impact energy of weld seam is greater than 136 J under-40℃.The flattening test showed no cracks appear in weld area when the pipe ring was compressed to attached,and the highest hardness of HFW pipe only 229 HV10.The HIC corrosion tests showed that no hydrogen bubbles appear in the surface of pipe body and welded joints,the crack rate of samples profile is zero.The SSCC corrosion tests and the groove corrosion tests both meet the requirements of the revelant standards.It proved that the developed X65MS acid resistance corrosion HFW welded is with very excellent anti HIC/SSCC performance and grooving corrosion resistant performance,and can be applied in safe transportation of oil and gas with hydrogen sulfide.

welded pipe;HFW pipe;X65MS pipeline steel；HIC；SSCC；groove corrosion；Bauschinger effect

TE973 文献标志码：A DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.002

国家科技支撑计划“高强度耐腐蚀石油天然气集输与输送用管线钢生产技术”（项目号2011BAE25B03）；中信微合金化技术中心资助项目“低锰耐酸管线钢X65工业试制和性能评价”（项目号CITIC-CBMM）。

黄晓辉（1980—），男，工程师，硕士研究生，主要从事油气输送管材的开发工作。

2015-10-14

谢淑霞