牛愛軍,畢宗岳,牛 輝,黃曉輝,任永峰

(1. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，寶雞 721008； 2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，寶雞 721008)

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深海油氣輸送用X70厚壁直縫埋弧焊鋼管的耐蝕性

牛愛軍1,2,畢宗岳1,2,牛 輝1,2,黃曉輝1,2,任永峰1,2

(1. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，寶雞 721008； 2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，寶雞 721008)

開發(fā)試制了深海油氣輸送用X70厚壁直縫埋弧焊(LSAW)鋼管(φ1 016 mm，壁厚36.5 mm)，對管線鋼的化學(xué)成分、組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并通過氫致開裂(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕(SSC)、腐蝕浸泡等試驗研究了鋼管管體及焊接接頭的耐腐蝕性能。結(jié)果表明：該試驗鋼管的管體及焊接接頭具有良好的抗氫致開裂和抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能，腐蝕速率小于0.09 mm/a，可用于具有腐蝕性的海洋環(huán)境中。

直縫埋弧焊(LSAW);海底管線；X70鋼；厚壁；力學(xué)性能；耐腐蝕性能

隨著陸地及近海油氣資源的日漸枯竭，深海和超深海的油氣資源的勘探開發(fā)已經(jīng)成為世界油氣開采的重點領(lǐng)域，深海油氣開發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長點和科技創(chuàng)新的前沿[1]。海底管道運輸是海洋油氣運輸中最快捷、經(jīng)濟(jì)、可靠的方式，已廣泛應(yīng)用于海上油田的開發(fā)[2]。影響海底管道系統(tǒng)安全性的風(fēng)險因素很多且極其復(fù)雜，如海流、海浪、管線周圍土質(zhì)、腐蝕等，海底管線工作環(huán)境苛刻，失效概率高[3]。海底管道失效，可造成海上油氣田停產(chǎn)，甚至導(dǎo)致原油泄漏,污染海洋環(huán)境，后果十分嚴(yán)重[3]。腐蝕是海底管線破壞的主要因素之一，嚴(yán)重影響了海底管線的使用壽命,使其損壞率逐年增大,泄漏和斷裂破壞事故逐漸增多[4-5]。

目前，在國外海底管道工程中，應(yīng)用于非酸性環(huán)境管線鋼的最高鋼級為X70，而應(yīng)用于酸性環(huán)境管線鋼的最高鋼級為X65；管道壁厚最大為41.0 mm[6]。我國已建設(shè)的海底管道普遍采用X65及以下鋼級管線鋼，深海用X65/X70管線鋼的開發(fā)也在進(jìn)行中。南海荔灣深水管道是迄今為止國內(nèi)水深最深(水深1 500 m)、壁厚最大、輸送壓力最高的海底管道項目，采用國產(chǎn)化X65/X70鋼級，直徑為765.2 mm，最大壁厚為31.8 mm的直縫埋弧鋼管，設(shè)計輸送壓力23.9 MPa。隨著海上油氣田、極地油氣田、深部油氣田(6 000～7 000 m)的開發(fā)，對管道工程建設(shè)提出了更高的要求[7]。惡劣的深海服役環(huán)境促使深海用管線鋼向高等級、厚規(guī)格、良好的可焊性、低溫韌性和高耐蝕性方向發(fā)展。集超厚度、高強度、抗層狀撕裂性能、耐酸性介質(zhì)、耐腐蝕于一體的管線鋼，代表了當(dāng)前國際冶金行業(yè)的最高技術(shù)水平[8]。隨著管線鋼厚度顯著增加，管線鋼的斷裂韌性及耐蝕性難以控制。

本工作以深海用X70厚壁鋼管(φ1 016 mm，壁厚36.5 mm)為研究對象，通過化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能、硬度及氫致裂紋(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕(SSC)、腐蝕速率等耐腐蝕性能的試驗，驗證了鋼管成分設(shè)計及制造工藝的可行性，有助于高強度厚壁耐腐蝕管線鋼及鋼管的開發(fā)和應(yīng)用。

1　試驗

1.1試驗材料

根據(jù)深海油氣輸送鋼管的服役環(huán)境，采用超低C-低Mn-Mo-Nb-Ni-Cr微合金化成分設(shè)計了深海用X70厚壁鋼板(厚36.5 mm)，并委托鞍鋼進(jìn)行了試制，其設(shè)計化學(xué)成分見表1，裂紋敏感性指數(shù)(Pcm值)≤0.17%。然后，在中油寶世順(秦皇島)鋼管有限公司制管生產(chǎn)線上采用JCOE制管工藝將試制的鋼板加工成φ1 016 mm大口徑厚壁直縫埋弧焊鋼管。鋼管成型前對定尺鋼板兩側(cè)邊坡口角度及鈍邊進(jìn)行加工，坡口型式為雙面對稱X型，鋼板上下面坡口角度均為35°，鈍邊高度為12.0 mm，下坡口高度為13.5 mm。采用內(nèi)焊四絲外焊五絲埋弧自動焊分別完成鋼管內(nèi)焊、外焊縫的焊接，內(nèi)焊、外焊絲全部采用直徑為4.0 mm的H08C焊絲，焊劑采用林肯998N。

表1　X70管線鋼的設(shè)計化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1　Designed chemical composition of X70 pipeline steel (mass)　%

1.2試驗方法

1.2.1 化學(xué)成分及顯微組織分析

依照ASTM A751-14標(biāo)準(zhǔn)，采用ARL4460直讀光譜儀對深海用X70厚壁直縫埋弧焊鋼管(以下稱X70鋼管)管體母材進(jìn)行化學(xué)成分分析。

依照GB/T 13298-1991標(biāo)準(zhǔn)，采用MEF4M金相顯微鏡觀察了X70鋼管焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材三個不同區(qū)域的顯微組織，腐蝕試劑為4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液。

1.2.2 力學(xué)性能試驗

在距焊縫180°處取管體橫、縱向全壁厚板狀拉伸試樣，在焊接接頭處取橫向焊縫全壁厚板狀拉伸試樣，依據(jù)ASTM A370-14標(biāo)準(zhǔn)在UTM5305、SHT 4106材料試驗機上進(jìn)行拉伸試驗。

夏比沖擊試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，全尺寸V型缺口，缺口位置分別在距焊縫90°管體、焊縫、熔合線(FL)、FL+2 mm、FL+5 mm，取樣方向為橫向。依據(jù)ASTM A370-14標(biāo)準(zhǔn)在PIT752D-2(600J)沖擊試驗機上進(jìn)行夏比沖擊試驗，溫度-20 ℃，同一條件下測3個試樣。

依照ASTM E 384-11e1標(biāo)準(zhǔn)，采用KB 30BVZ-FA硬度計對焊接接頭進(jìn)行硬度測試，載荷為10 N,測試位置見圖1。

1.2.3 腐蝕試驗

氫致裂紋(HIC)試樣分別從管體的上、中、下部位及焊縫處截取，試樣尺寸為20 mm×20 mm×100 mm,HIC試驗按NACE TM0284-2011(A溶液)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗溶液為H2S飽和溶液(A溶液)，浸泡時間為96 h。

硫化物應(yīng)力腐蝕(SSC)試樣分別從管體母材及焊縫處截取，試樣尺寸為5 mm×15 mm×120 mm。SSC試驗依據(jù)NACE TM0177-2005(A溶液)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗設(shè)備為四點彎曲試驗裝置，應(yīng)力加載量為413 MPa(85% SMYS)，浸泡時間為720 h。

掛片試樣分別從鋼管焊縫及管體母材處截取，試樣尺寸為3 mm×15 mm×25 mm，每個位置取3個平行試樣。浸泡試驗依據(jù)JB/T 7901-2001《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，在常溫常壓條件下進(jìn)行，腐蝕介質(zhì)為3.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl水溶液(pH為6.5～7.2)，試樣在腐蝕介質(zhì)中連續(xù)浸泡30 d，每隔15 d換一次溶液。試驗前用砂布打磨試樣，以達(dá)到要求的表面粗糙度。用游標(biāo)卡尺測量試樣的長、寬、厚和小孔直徑，計算暴露表面積。試樣經(jīng)沖洗去油、稱量后，穿上塑料線，浸入試驗溶液內(nèi)，其上端距液面應(yīng)大于2 cm，試樣浸入深度應(yīng)大致相同。試驗結(jié)束后將試樣放在自來水流下沖洗，除膜后用蒸餾水沖洗，用毛刷除去已變疏松的腐蝕產(chǎn)物，然后擦拭、干燥，用分析天平稱量，并用失重法計算腐蝕速率。

2　結(jié)果與討論

2.1化學(xué)成分和顯微組織

從表2可看出，試驗鋼管具有超低C含量,S、P含量也非常低,表現(xiàn)出典型的純凈鋼特征，并具有低的碳當(dāng)量(Ceq值)和裂紋敏感性指數(shù)(Pcm值),分別為0.39%和0.15%。這為高強度鋼管具有良好的焊接性和耐蝕性提供了保證。另外，在管線鋼中添加Cu、Ni、Cr等合金元素，在其表面形成鈍化膜，減少氫氣的入侵，阻止了氫致裂紋的產(chǎn)生，同時還有效地提高了鋼板的淬透性，保證鋼板厚度方向的組織均勻性，明顯改善材料低溫韌性和耐腐蝕性能。

從圖2可看出，管體母材和焊縫的組織都由針狀鐵素體和下貝氏體組成,針狀鐵素體和下貝氏體具有尺寸較小、交叉分布、大角度晶界、存在亞結(jié)構(gòu)和高密度可動位錯等特點,使該組織在硫化氫介質(zhì)中發(fā)生裂紋開裂需要很高的能量,所以焊縫和母材有較強的抗應(yīng)力腐蝕能力。熱影響區(qū)的粗晶區(qū)組織以粒狀貝氏體為主,還有少量板條貝氏體+多邊鐵素體,晶粒粗大,此區(qū)域明顯出現(xiàn)脆化現(xiàn)象,硬度會明顯升高,成為硫化氫應(yīng)力腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)。

表2　X70鋼管的實際化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 2　Real chemical composition of X70 pipeline steel　%

2.2力學(xué)性能

從表3中可以看出，X70鋼管的管體屈服強度為495～512 MPa，抗拉強度為645～648 MPa，屈強比為0.77～0.79，斷后伸長率為55%～58%，均勻變形延伸率(UEL)為7.5%～8.2%。這些性能指標(biāo)均能滿足DNV-OS-F101-2013《海底管線系統(tǒng)規(guī)范》要求。同時，由表3還可以看出，鋼管焊接接頭的抗拉強度比母材的高20 MPa，拉伸斷裂位置都出現(xiàn)在母材處，這表明在焊接過程中熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

從表4中可看出，在-20 ℃下X70鋼管管體的沖擊功最低為476 J，平均值為483 J；焊接接頭的沖擊功最低出現(xiàn)在焊縫處，為132 J，平均值為153 J。試驗結(jié)果表明,X70鋼管管體母材、焊接接頭部位具

表3　X70鋼管的拉伸性能Tab. 3　Tensile properties of X70 steel pipe

有較好的低溫沖擊韌性，鋼管具有較好的抗低溫斷裂能力。

從表5中可以看到，母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度均小于245 HV10，母材及熱影響區(qū)的平均硬度均為201 HV10，焊縫的平均硬度為228 HV10。金屬材料的硬度與強度密切相關(guān),早期的研究發(fā)現(xiàn),硫化氫應(yīng)力腐蝕敏感性與鋼材的硬度有關(guān),硬度愈高,敏感性愈大,所以NACE MR0175 推薦在酸性介質(zhì)中,管線鋼的硬度極限為248 HV10或22 HRC[9]。試驗結(jié)果表明,焊接熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，適合在具有腐蝕性的環(huán)境中使用。

表4　不同缺口位置X70鋼管試樣的 夏比沖擊試驗結(jié)果Tab. 4　Charpy impact test results of samples of X70 steel pipe with different notch positions

一般而言，在滿足強度要求下，鋼管的屈強比越低、伸長率越高、維氏硬度越小，就更適合在具有腐蝕性、變形能力要求較高的環(huán)境中使用[10]。試驗結(jié)果表明，X70鋼管的碳含量相對較低的，其強度和硬度也相對較低，可適用于對焊接性、抗大應(yīng)變性能和耐腐蝕性能要求較高的海洋環(huán)境中。

2.3腐蝕試驗結(jié)果

2.3.1 氫致裂紋(HIC)試驗結(jié)果

由圖3可以看到，HIC試驗后，試樣表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡。對試樣截面進(jìn)行金相觀察發(fā)現(xiàn)，管體及焊縫剖面都無裂紋。試驗結(jié)果表明,試驗鋼管在該試驗條件下對HIC不敏感。

表5　焊接接頭維氏硬度試驗結(jié)果Tab. 5　Vickers hardness test results of weld joint　HV10

2.3.2 硫化物應(yīng)力腐蝕(SSC)試驗結(jié)果

由圖4可以看到，在H2S飽和溶液中浸泡720 h后，試樣未發(fā)生斷裂，放大10倍后仍看不到裂紋，這表明試驗鋼管具有良好的抗硫化物應(yīng)力腐蝕能力。

2.3.3 腐蝕速率

從表6可以看出，X70鋼管焊縫和管體母材的腐蝕速率均小于0.09 mm/a，焊縫的平均腐蝕速率比管體的略高一點。根據(jù)SY/T0087.1-2006以及NACE標(biāo)準(zhǔn)RP-0775-2005對腐蝕程度的規(guī)定，管體和焊縫的腐蝕均屬輕微腐蝕，這表明X70管材具有良好的耐腐蝕性能。

表6　常溫、常壓下X70鋼管在3.5% NaCl溶液 中的腐蝕速率Tab. 6　Corrosion rate of X70 steel pipe in 3.5% NaCl solution at room temperature and pressure

3　結(jié)論

(1) 制備的深海用X70厚壁直縫埋弧焊鋼管管體及焊接接頭具有較低的屈強比(≤0.80)和較高的斷后伸長率(≥55%)，較小的硬度(焊接接頭的平均硬度為207 HV10，最大硬度為243 HV10)，焊接熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，滿足耐酸工作條件下對管材的性能要求。

(2) 深海用X70厚壁直縫埋弧焊鋼管的管體及焊接接頭具有較好的抗氫致裂紋和抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能，腐蝕試驗后表面既無明顯氫鼓泡現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，焊縫和管體母材的腐蝕速率均小于0.09 mm/a，具有良好的耐蝕性，可用于具有腐蝕性的海洋環(huán)境中。

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Corrosion Resistance of X70 LSAW Pipe with Heavy Wall Used for Oil and Gas Transportation in Deep Sea

NIU Ai-jun1,2, BI Zong-yue1,2, NIU Hui1,2, HUANG Xiao-hui1,2, REN Yong-feng1,2

(1. Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008， China；2. Research Institute of Steel Pipe， Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008， China)

X70 longitudinal submerged arc welded (LSAW) pipe with heavy wall used for oil and gas transportation in deep sea (φ1 016 mm,wall thickness of 36.5 mm) was developed and produced. The chemical composition,microstructure and mechanical properties of the pipeline steel were analyzed,and the corrosion resistance of the pipe body and welded joint was studied through hydrogen induced cracking (HIC),sulfide stress corrosion (SSC) and corrosion immersion tests. The results show that the body and welded joint of the X70 LSAW pipe had good resistance to hydrogen-induced cracking and sulfide stress corrosion cracking,and their corrosion rates were all less than 0.09 mm/a,which means that the X70 LSAW pipe can be used in corrosive marine environment.

LSAW; subsea pipeline； X70 steel； heavy wall； mechanical property； corrosion resistance

10.11973/fsyfh-201610006

2015-08-28

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2013AA09A219)

牛愛軍(1980-)，工程師，碩士，主要從事油氣管材的新產(chǎn)品開發(fā)、新工藝、新技術(shù)研究，15229178548，06niuaijun@163.com

TG335.5

A

1005-748X(2016)10-0806-05