夏正文，徐阿敏，孫 偉，廖 軍，許全光，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）

海洋石油平臺立管要經(jīng)受海浪沖擊和扭曲，需要強(qiáng)度較高且耐點(diǎn)腐蝕性能良好的材料。超級雙相鋼因?yàn)閾碛袏W氏體、鐵素體的雙相組織和較高的耐點(diǎn)腐蝕系數(shù)，具有良好的機(jī)械性能和耐氯離子腐蝕性能［1-4］，而被認(rèn)為是作為立管的理想材料，但在此之前，作為立管的超級雙相鋼焊接鋼管沒有在國內(nèi)制造的先例。另外，超級雙相鋼除具有雙相鋼的一些特性外，特別對金屬間化合物等第三相析出較為敏感，如何在焊接和熱處理環(huán)節(jié)中進(jìn)行工藝控制，是生產(chǎn)該產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)之一［5］。

為此，這里以國外某石油公司向我國某公司采購的一批超級雙相鋼焊管作為海洋采油平臺的立管為例，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品組織和性能進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 產(chǎn)品概況

合同產(chǎn)品采用材質(zhì)為UNS S32750，外徑為219.1 mm，壁厚12 mm，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)是在API Spec 5LC—2006《耐腐蝕合金管線鋼管》［6］的基礎(chǔ)上修改和增補(bǔ)的某石油公司內(nèi)部規(guī)范DEP 31.40.20.34［7］。設(shè)計(jì)溫度為0～60℃，設(shè)計(jì)壓力9.8 MPa。服役環(huán)境為根據(jù)ISO 15156-3∶2009《石油和天然氣工業(yè)油、氣生產(chǎn)中含硫化氫（H2S）環(huán)境下使用的材料第3部分：耐裂化CRAs（防腐蝕合金）和其他合金》標(biāo)準(zhǔn)的酸性環(huán)境。

2 制造工藝

2.1 工藝流程

超級雙相鋼的焊管工藝流程：原料檢驗(yàn)→鋼板超聲波探傷→刨邊→成型→預(yù)焊→整圓→切割→焊接→定徑→熱處理→管端加工→焊縫射線檢驗(yàn)→管端滲透檢驗(yàn)→水壓試驗(yàn)→酸洗鈍化→成品檢驗(yàn)→標(biāo)記→包裝入庫。

2.2 成 型

在直縫焊管生產(chǎn)中，鋼帶邊部的成型狀態(tài)對焊接質(zhì)量影響極大，生產(chǎn)難點(diǎn)在于對鋼帶邊部有效施加彎矩的保證，采用傳統(tǒng)的成型技術(shù)難以解決；而雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度約為普通奧氏體不銹鋼的兩倍，其成型難度更大。

FFX（Flexible Forming Excellent）作為新型的成型技術(shù)巧妙地利用卷貼彎曲時(shí)的張力效應(yīng)，最大限度地將彎矩施加到鋼帶的邊部；同時(shí)利用軋輥無極兼用的有利條件，可以根據(jù)鋼帶的強(qiáng)度和厚度，自由調(diào)節(jié)彎邊時(shí)的成型度以實(shí)現(xiàn)最佳焊接條件［8］。

2.3 焊 接

相比于普通奧氏體不銹鋼，雙相鋼熔池的流動性略差，使用普通焊接參數(shù)難以保證熔池的穿透性和蓋面的穩(wěn)定性，特別是在需要較高生產(chǎn)效率的前提下。

為此，采用等離子弧焊（PAW）和鎢極氬弧焊（GTAW）復(fù)合焊接工藝［9-10］，焊縫坡口形式及焊接順序如圖1所示。首先，采用等離子弧焊進(jìn)行穿透熔合，使達(dá)到單面焊接、雙面成型的效果；之后，采用鎢極氬弧焊進(jìn)行填充和蓋面，焊接采用純氬氣保護(hù)。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為降低有害相析出傾向，焊接過程中盡可能采用較低的線能量，線能量最好不超過16 kJ/cm。另外，層間溫度對于雙相鋼的焊接是至關(guān)重要的，必須控制在100℃以下，過高的層間溫度將會加大有害相析出的傾向，并最終影響產(chǎn)品性能。

圖1 焊縫坡口形式和焊接順序

2.4 熱處理

焊接之后的熱處理采用感應(yīng)爐對焊管整體進(jìn)行固溶處理［11］，熱處理溫度1 050～1 120℃，水噴淋冷卻至40℃以下。

所制定的生產(chǎn)工藝和具有的生產(chǎn)設(shè)備保證了超級雙相鋼焊管的順利生產(chǎn)，且產(chǎn)品具有良好的外觀成型質(zhì)量。按照生產(chǎn)批次對產(chǎn)品進(jìn)行成分和理化性能檢測。

3 化學(xué)成分、組織和性能

3.1 化學(xué)成分

原材料的化學(xué)成分除氮含量和耐點(diǎn)腐蝕系數(shù)有特殊規(guī)定外，其余化學(xué)成分應(yīng)滿足ASTM A 240—2012《壓力容器用耐熱鉻及鉻-鎳不銹鋼鋼板、薄板和鋼帶標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件》中關(guān)于UNS S32750的規(guī)定。管材管體和焊縫的氮元素質(zhì)量百分比≥0.20%，耐點(diǎn)腐蝕系數(shù)≥40［7，12］。焊縫的合金元素至少與母材相同或更高。

根據(jù)ASTM A 751—2014《鋼產(chǎn)品化學(xué)分析的試驗(yàn)方法、規(guī)范和術(shù)語》標(biāo)準(zhǔn)對所生產(chǎn)的所有批次的焊管的母材和焊縫進(jìn)行檢測，結(jié)果完全滿足上述規(guī)定。

3.2 組織及兩相比例

焊接接頭宏觀形貌和顯微組織如圖2所示。從圖2（a）可以看出，焊接接頭的內(nèi)外表面過渡光滑，無明顯應(yīng)力集中區(qū)域，無氣孔、未焊透、未焊穿等缺陷。另外，從微觀組織中觀察，母材、焊縫的奧氏體相和鐵素體相分布均勻，未發(fā)現(xiàn)σ相、碳化物相等第三相析出［13］。

圖2 焊接接頭宏觀形貌和顯微組織

標(biāo)準(zhǔn)DEP 31.40.20.34規(guī)定，母材鐵素體含量應(yīng)控制在40%～60%，焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體含量應(yīng)控制在35%～65%。

采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 562—2011《用系統(tǒng)的人工逐點(diǎn)計(jì)數(shù)法測定體積因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法》對產(chǎn)品的焊縫、熱影響區(qū)和母材的鐵素體含量進(jìn)行測定，焊縫鐵素體含量為40%～49%，熱影響區(qū)含量為43%～50%，母材鐵素體含量為45%～50%，不同位置的鐵素體含量見表1。從表1可看出，各區(qū)域的鐵素體含量都滿足規(guī)范要求。

表1 不同位置的鐵素體含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.3 拉伸性能

對產(chǎn)品的母材橫向、縱向，焊縫橫向進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，執(zhí)行ASTM A 370—2010《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)。焊縫和母材的拉伸指標(biāo)見表2。

表2 焊縫和母材的拉伸指標(biāo)

從表2可以看出，焊縫、母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都明顯分別高于DEP 31.40.20.34標(biāo)準(zhǔn)要求的550 MPa和750 MPa，母材伸長率明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求的25%，因標(biāo)準(zhǔn)對焊縫伸長率不作要求，故在檢測中未加以體現(xiàn)。

從力學(xué)性能來看，焊縫的強(qiáng)度與母材的強(qiáng)度相當(dāng)。

3.4 顯微硬度

DEP 31.40.20.34標(biāo)準(zhǔn)要求母材最大顯微硬度不超過330 HV10，焊縫和熱影響區(qū)不超過350 HV10，最大值和最小值之差不超過100 HV10。

對產(chǎn)品的焊接接頭取樣，并根據(jù)ISO 6507-1∶2005《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯微硬度測定。結(jié)果顯示：焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微硬度值分別是254.6～280.1 HV10、261.6～275.4 HV10 和 263.5～287.8 HV10，所有區(qū)域的維氏硬度都滿足規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)明顯脆硬區(qū)域。

3.5 沖擊性能

對產(chǎn)品的焊縫中心、熔合線、熔合線外5 mm和母材分別取沖擊試樣，試樣尺寸5 mm×10 mm×55 mm，按照ASTM A 370—2010標(biāo)準(zhǔn)在-50℃溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。不同區(qū)域的沖擊功分布趨勢如圖3所示。

3.6 耐點(diǎn)腐蝕性能

點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)根據(jù)ASTM G 48—2011《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點(diǎn)腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》A法進(jìn)行，在40℃溫度下連續(xù)浸蝕72 h；DEP 31.40.20.34標(biāo)準(zhǔn)要求試樣表面不出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕坑，且單位面積失重不超過0.4 mg/cm2。

對所有批次產(chǎn)品進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，單位面積失重最大值0.085 mg/cm2，最小值0.006 mg/cm2，平均值0.045 mg/cm2，滿足要求（≤0.4 mg/cm2）。

圖3 不同區(qū)域的沖擊功分布趨勢

4 結(jié) 論

（1）生產(chǎn)超級雙相鋼焊管時(shí)，采用的FFX成型技術(shù)可獲得良好效果。

（2）采用等離子弧和鎢極氬弧焊復(fù)合焊接工藝在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，獲得的焊縫組織和性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）所生產(chǎn)的超級雙相鋼焊管已應(yīng)用在高端應(yīng)用領(lǐng)域，這證明了中國制造的產(chǎn)品正逐步得到認(rèn)同。

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