海底用-29 ℃低温抗酸直缝埋弧焊管研制

赵与越，赵 波，王 斌

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

随着海底油气田的开采，海底油气输送管道已成为广泛用于海洋石油工业的重要运输手段［1-3］。海底管道通常埋入海底的泥土中或直接浸泡在海水中，在高纬度地区的海底，尤其是深水、超深水区域海底管道需要同时具备抗低温的性能和抗酸腐蚀性能。

针对国外某海底管道工程用油气输送管需求，结合海底、低温、腐蚀的服役工况对该工程用管线钢和钢管的性能要求，开发出具有良好的力学性能、抗低温和耐酸性的X65MOS 钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板，研制出具有抗低温和耐酸性的国产X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 海底用直缝埋弧焊钢管。

1 海底低温抗酸管线钢钢板的开发

为了满足海底管道的服役条件，海底管线钢除了要满足高强度、高韧性、良好的焊接性能和耐酸性能外，还要满足以下特点：①低的碳当量；②低的S、P 含量；③高的形变强化指数；④低的屈强比；⑤优良的纵向拉伸性能；⑥低的铸坯中心偏析，良好的厚度方向性能，低的断口分离和层状撕裂的几率；⑦优异的夏比冲击、落锤撕裂和CTOD（Crack-tip Opening Displacement，裂缝尖端开口位移）性能［3-4］。根据以上设计思路，此次试制的X65MOS 钢级管线钢钢板是采用低C、Mn、Mo、Nb、Ni 系设计，适当添加Cr 等微合金元素。在制定技术条件时，对成分范围进行了更加严格的限定。研制开发的X65MOS 钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板的化学成分见表1，X65MOS 钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板力学性能见表2，钢板1/2 处金相组织如图1 所示。

图1 钢板1/2 处金相组织

表1 X65MOS 钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板化学成分（质量分数）%

表2 X65MOS 钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板力学性能

表3 Φ762 mm×22.2 mm X65MOS 钢管的拉伸性能统计结果

表4 X65MOS 钢管夏比冲击试验结果J

表5 X65MOS 钢管-30 ℃落锤撕裂试验结果%

该项目所在海域的最低环境温度为-29 ℃，根据DNV-OS-F101—2013《海底管线系统规范》“表6-4 C-Mn 钢管线管夏比V 型缺口冲击试验温度”中规定，当钢板板厚20 mmt≤40 mm 时，冲击试验温度应比最低设计温度低10 ℃，因此22.2 mm 壁厚焊管的低温冲击试验温度应为-39 ℃。

表6 Φ762 mm×22.2 mm X65MOS 钢管焊接接头的硬度测试结果 HV10

从表1～2 的数据可以看出研制开发的X65MOS钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板化学成分、力学性能均满足技术要求，同时严格控制了S、P 等有害元素的含量。从图1 可见，该钢板具有良好的组织均匀性，主要组织为多边形铁素体+粒状贝氏体，该组织状态可以使材料具有优良的强韧性，对裂纹的扩展起到了阻碍作用，实现了对DWTT 性能的有效控制［5］。

2 海底低温抗酸直缝埋弧焊管的开发

采用JCO 成型工艺对研制开发的X65MOS 钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板进行钢管成型预焊，对成型预焊后的钢管进行多丝埋弧焊，对焊接成型后的钢管进行全管体扩径，将可能对材料性能产生影响的扩径率波动控制在0.2%以内［6］。试制出具有抗低温和耐酸性的X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm海底用直缝埋弧焊钢管［7-18］。对管体及焊接接头的力学性能、硬度及氢致开裂（Hydrogen-induced Cracking，HIC）和硫化物应力腐蚀（Sulfide Stress Corrosion Cracking，SSC）试验等方面进行了性能分析。

2.1 力学性能

钢管的拉伸性能统计结果见表3。从表3 可以看出钢管母材和焊缝均具有很好的拉伸性能，母材的横向屈服强度平均值为505 MPa；横向抗拉强度平均值为572 MPa；伸长率平均值为53%；屈强比平均值为0.89；母材的纵向屈服强度平均值为517 MPa；纵向抗拉强度平均值为586 MPa；伸长率平均值为51%；屈强比平均值为0.88；焊缝试样采用去除焊缝余高的圆棒试样，焊缝的抗拉强度平均值为600 MPa。焊缝的抗拉强度高于母材的抗拉强度。试验结果符合用户技术条件的要求。

冲击功是衡量钢管止裂性能的关键指标，对X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 直缝埋弧焊钢管焊缝、热影响区进行夏比冲击试验，试验温度为-40 ℃，试验结果见表4。从表4 可以看出外焊缝冲击功平均值为192 J；内焊缝冲击功平均值为88 J；外焊缝热影响区冲击功平均值为377 J；内焊缝热影响区冲击功平均值为354 J。试验结果均满足用户技术条件要求，说明钢管具有良好的冲击韧性。

对X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 直缝埋弧焊钢管进行落锤撕裂试验，试验结果见表5。从试验数据可以看出，该钢管具有优良的DWTT 性能，剪切面积百分比单个值均在84%以上，平均值均在90%以上，均达到了用户技术条件要求。

X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 直缝埋弧焊钢管硬度测试结果见表6。从试验结果数据可以看出，母材最大硬度为200 HV10，热影响区最大硬度为194 HV10，焊缝最大硬度为213 HV10，均达到了用户要求（≤240 HV10），并有较大的裕量，同时在热影响区存在明显的软化。

X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 直缝埋弧焊钢管母材、焊缝和热影响区CTOD 测试结果见表7。从试验数据可以看出，母材、焊缝和热影响区的CTOD 值均达到了用户技术条件要求。

表7 X65MOS 钢管CTOD 测试结果mm

2.2 腐蚀试验

在焊缝及距焊缝90°、180°的管体母材处的壁厚上、中、下部位制取抗氢致开裂试样，试样尺寸为20 mm×20 mm×100 mm，依据美国腐蚀工程师协会NACE TM 0284—2016《管道和压力容器用钢抗氢致开裂性能评价的试验方法》（A 溶液）进行HIC 试验，试样浸泡饱和H2S 溶液96 h 后，对试样进行宏观检查，试样表面未发现氢鼓泡。对试样截面进行金相剖面，并在100 倍显微镜下进行观察，管体及焊缝剖面均无裂纹，试验结果表明该钢管具有较好的抗氢致开裂性能。

在焊缝处的壁厚上、中、下部位制取抗硫化物应力腐蚀试样，试样尺寸为25 mm×5 mm×130 mm，依据美国腐蚀工程师协会NACE TM 0177—2016《金属在H2S 环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法》（A 溶液）进行抗硫化物应力腐蚀试验，试验设备为四点弯曲试验装置，加载应力为405 MPa，试样浸泡饱和H2S 溶液720 h 后，试样没有裂纹，试验结果表明该钢管具有较好的抗硫化物应力腐蚀能力。

3 结论

（1） 通过研究分析，合理控制合金含量，添加适当的微合金元素以及优化的热机械控制（Thermo Mechanical Control Process，TMCP）工艺，可以开发出具有良好力学性能和耐腐蚀的海底用抗低温和耐酸性的X65MOS 钢级、板厚22.2 mm 管线钢钢板。

（2） 开发研制的X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 海底用直缝埋弧焊钢管在-40 ℃试验温度下外焊缝冲击功平均值为192 J，内焊缝冲击功平均值为88 J，外侧热影响区冲击功平均值为377 J，内侧热影响区冲击功平均值为354 J；-30 ℃剪切面积百分比平均值达90%以上；焊接接头的硬度均在213 HV10 以下；在-29 ℃试验温度下，母材、焊缝及热影响区的CTOD 值均在0.19 mm 以上。所有力学性能指标均符合用户技术条件的要求。

（3） 通过对试制的X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 海底用直缝埋弧焊钢管进行氢致开裂和硫化物应力腐蚀试验分析，试验结果表明开发的X65MOS 钢级Φ762 mm×22.2 mm 海底用直缝埋弧焊钢管具有良好的耐硫化氢腐蚀性能。