畢宗岳

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

隨著西氣東輸四線、 中俄東線、 陜京四線等一批國內(nèi)重大管線工程的啟動(dòng)建設(shè)，標(biāo)志著我國石油、 天然氣管線工程建設(shè)進(jìn)入新的發(fā)展階段[1-2]。目前，由于全球?qū)τ蜌赓Y源的持續(xù)高需求及優(yōu)良油氣井的不斷枯竭，促使油氣開采逐漸走向深井、 超深井及腐蝕性油氣井的開發(fā)[3]?？量痰姆酃r條件，對(duì)油氣田裝備及輸送管線的耐蝕性有較高要求。例如，在油氣集輸段，由于含有大量H2S、 CO2和Cl-等腐蝕介質(zhì)，管線腐蝕破壞嚴(yán)重，包括硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、 氫致開裂、 點(diǎn)蝕和均勻腐蝕等，導(dǎo)致管線多處失效，事故頻發(fā)[4-7]。我國西氣東輸?shù)臍庠吹匦陆死? 氣田，地層水Cl-濃度達(dá)100 677 mg/L，天然氣中H2S 含量0.72%（摩爾分?jǐn)?shù)），集氣干線CO2分壓達(dá)0.1 MPa，最高工作溫度80 ℃。該氣田集輸管道不得不大量使用2205 雙相不銹鋼管材、 閥門等器件5 226 t，占2004 年全球2205 不銹鋼產(chǎn)量的1/3，工程造價(jià)極其昂貴。而雙金屬冶金復(fù)合管具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，且成本只有純不銹鋼耐蝕管材的1/3，是目前解決酸性油氣田集輸管道腐蝕問題的最有效方法之一[8-11]，也成為目前石油管材領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2205 不銹鋼屬第二代超低碳奧氏體－鐵素體雙相不銹鋼（duplex stainless steel，DSS），組織中奧氏體和鐵素體各約占50%，鐵素體相主要富集Cr、 Mo 元素，而奧氏體相主要富集N、 Ni 元素； 超低C 和適量N 是其成分特點(diǎn)，N 是強(qiáng)烈的奧氏體形成元素，既能提高強(qiáng)度又能增強(qiáng)耐應(yīng)力腐蝕和抗點(diǎn)蝕性能且不損傷鋼的塑韌性[12]，可作為CO2和H2S 共存環(huán)境中的管線選材。X65 屬于低碳微合金鋼，具有較好強(qiáng)韌性匹配，在中低壓輸氣管線中應(yīng)用廣泛。因此，本研究以爆炸+軋制工藝制備的2205/X65 復(fù)合板為研究對(duì)象，開發(fā)了大直徑、 薄復(fù)層2205/X65 雙金屬復(fù)合管材焊接工藝，并研制出Φ610 mm×（2+14）mm 2205/X65 雙金屬復(fù)合管材新產(chǎn)品。通過對(duì)復(fù)合管焊縫組織相比例、 力學(xué)性能、 耐蝕性能等進(jìn)行系列研究，為2205/X65 復(fù)合管材工程化生產(chǎn)及應(yīng)用提供了理論支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料2205/X65 復(fù)合板，規(guī)格為（2+14）mm×2000 mm×12000 mm。依據(jù)GB6396—2008 《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》 及API 5LD—2015 《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》 和SY/T 6623—2012 《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》 對(duì)復(fù)合板原料及試制復(fù)合管進(jìn)行理化性能和腐蝕性能檢測評(píng)價(jià)。

金相試樣用砂紙研磨并拋光后，X65 鋼用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，2205 復(fù)層及其焊縫、 過渡層均用CuCl2（5 g）+HCl（100 ml）+酒精（100 ml）進(jìn)行腐蝕。用MEF-4M光學(xué)顯微鏡（OM）觀察焊縫橫截面各區(qū)域微觀組織及腐蝕形貌。用Durascan-70 型維氏硬度計(jì)測試原料復(fù)合板、 焊縫橫截面顯微硬度。拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)分別在WAW-2000 和CSS-88100 型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)按GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，將尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的V 形缺口沖擊試樣去除復(fù)層，缺口夾角45°，在NAI500F 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，溫度為-10 ℃。

復(fù)層及焊縫模擬環(huán)境的腐蝕速率試驗(yàn)條件為H2S 分壓0.8 MPa、 CO2分壓1.5 MPa、 Cl-濃度≤15%，采用失重法計(jì)算腐蝕速率，即

式中：

R——腐蝕速率，mm/a；

M——試驗(yàn)前的試樣質(zhì)量，g；

M1——試驗(yàn)后的試樣質(zhì)量，g；

S——試樣的總面積，cm2；

T——試驗(yàn)時(shí)間，h；

D——材料的密度，kg/cm3。

依據(jù)NACE TM 0284—2003 《管道、 壓力容器抗氫致開裂鋼性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法》，采用A溶液（5%NaCl+0.5%冰乙酸，質(zhì)量百分比）浸泡試樣96 h，測試復(fù)層及焊縫HIC 裂紋敏感率CSR、 裂紋長度率CLR和裂紋厚度率CTR，采用公式（2）～公式（4）進(jìn)行計(jì)算

式中：a——裂紋長度，mm；

b——裂紋厚度，mm；

W——截面寬度，mm；

T——試樣厚度，mm。

依據(jù)NACE TM 0177—1996 《H2S 環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開裂材料的試驗(yàn)方法》，采用四點(diǎn)彎曲，在80%屈服強(qiáng)度應(yīng)力水平作用下，浸泡于A 溶液中720 h，測試復(fù)層及焊縫SSCC 的腐蝕敏感率； 復(fù)層及焊縫晶間腐蝕試驗(yàn)依據(jù)ASTM A262 《檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的銅-硫酸銅-硫酸試驗(yàn)》 方法E 進(jìn)行。

2 2205/X65 雙金屬冶金復(fù)合板組織與性能

2205/X65 雙金屬復(fù)合板微觀組織如圖1 所示。由圖1 （a）可知，復(fù)層2205 組織為典型奧氏體+鐵素體雙相組織，亮白色區(qū)域?yàn)閵W氏體相，灰暗色區(qū)域?yàn)殍F素體相?？煽闯觯瑮l帶狀?yuàn)W氏體相被連續(xù)的鐵素體所環(huán)繞，沿軋制方向呈現(xiàn)扁平化特征，未發(fā)現(xiàn)其他析出物。通過定量金相技術(shù)對(duì)其兩相比例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)奧氏體相和鐵素體相體積分?jǐn)?shù)分別為49.5%和50.5%。由圖1 （b）可知，復(fù)合界面清晰，無肉眼可辨缺陷，復(fù)合效果良好，熱機(jī)械軋制作用使得具有爆炸焊特征的正弦波式復(fù)合界面近乎消失。由圖1 （c）可知，基層X65 組織為準(zhǔn)多邊形鐵素體+針狀鐵素體+珠光體 （QF+AF+P）。從圖1 可知，2205/X65復(fù)合板原料各區(qū)域金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，完全滿足制管要求。2205/X65 復(fù)合板化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1 和表2。

圖1 2205/X65 雙金屬復(fù)合板顯微組織

表1 復(fù)層2205 和基層X65 的化學(xué)成分 %

表2 2205/X65 復(fù)合板力學(xué)性能檢測結(jié)果

3 2205/X65 雙金屬復(fù)合管焊接工藝

2205 DSS 焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能取決于焊接接頭組織的相結(jié)構(gòu)特征和比例關(guān)系。因此，2205 DSS 的焊接是圍繞如何保證其雙相組織進(jìn)行的。研究[13]表明，當(dāng)鐵素體和奧氏體量各接近50%時(shí)，焊縫性能較好，尤其是韌性和耐蝕性。過低的鐵素體含量（＜25%）將導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降； 過高鐵素體含量（＞75%）將顯著降低焊縫耐蝕性和韌性。對(duì)于2205 DSS，由于母材中含有較高N，保證了焊縫沿熔合線附近區(qū)域不會(huì)形成單一鐵素體相，使得奧氏體含量一般不會(huì)低于30%[14]。同時(shí)，2205 DSS 具有良好焊接性，焊接冷裂紋和熱裂紋敏感性均較小，因此焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理。

本研究復(fù)層2205 采用TIG 焊+ER2209 焊絲，較高的Ni 含量確保了焊縫的雙相組織特征及優(yōu)良的耐蝕性。過渡層采用TIG 焊+ER309 焊絲，較高的合金成分可緩解耐蝕合金元素過度稀釋，防止內(nèi)、 外焊縫重合區(qū)組織出現(xiàn)相比例失衡，且能使過渡層具有良好塑變能力，能較好協(xié)調(diào)基層焊縫和復(fù)層焊縫間熱物理性能差異引起的形變不協(xié)調(diào)，帶來復(fù)層焊縫耐蝕性的降低?；鶎覺65 鋼采用MAG 焊+H08Mn2SiA 焊絲，滿足基層X65管線鋼力學(xué)性能匹配。焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 Φ610 mm×（2+14）mm 2205/X65 復(fù)合管焊接工藝參數(shù)

焊縫坡口尺寸大小及開口形式嚴(yán)重影響2205/X65 復(fù)合管焊縫及熱影響區(qū)組織和性能。從保證復(fù)層焊縫耐蝕性和基層焊縫力學(xué)性能的角度，對(duì)2205/X65 雙金屬復(fù)合管焊接坡口形狀及尺寸進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。復(fù)層采用V 形坡口，夾角90°±5°； 基層采用V 形坡口，夾角70°±5°。

4 2205/X65 雙金屬復(fù)合管焊縫組織分析

圖2 為2205/X65 復(fù)合管焊接接頭橫截面宏觀形貌及各區(qū)域微觀組織照片。復(fù)層焊縫中部為奧氏體+鐵素體雙相組織，在灰暗色鐵素體基體區(qū)域均勻相間分布著枝狀亮白色奧氏體相（圖2（b））。過渡層焊縫中部為亮白色柱狀?yuàn)W氏體+暗黑色鐵素體組織 （圖2（c））。奧氏體組織生長具有明顯方向性，在其柱狀晶交叉晶界處為細(xì)小鐵素體相。處于交叉晶界處的鐵素體可細(xì)化奧氏體晶粒，打亂奧氏體粗大柱狀晶生長方向，鐵素體相還可增加晶界和亞晶界接觸面積，溶解有害元素S 和P，固溶更多雜質(zhì)元素，同時(shí)顯著減少晶間偏析，提高焊縫耐腐蝕性和抗熱裂能力?；鶎覺65 鋼焊縫中部為先共析鐵素體+針狀鐵素體組織 （圖2（d））。

圖2 （e）為焊接接頭基層母材和過渡層焊縫在熔合線附近組織，圖2 （f）為焊接接頭不銹鋼母材和焊縫在熔合線附近組織，兩種熔合區(qū)附近組織明顯不同。圖2 （e）中熔合線附近由于熱傳導(dǎo)作用，熱能損失嚴(yán)重，焊接過程的機(jī)械攪拌作用相對(duì)較弱，熔合線上兩種材料呈現(xiàn)聯(lián)生結(jié)晶，即外延結(jié)晶特征，以未熔化的母材金屬表面為基底形核并向焊縫內(nèi)部和頂部生長，散熱最快方向生長，隨后長成方向性很強(qiáng)的柱狀晶。過渡層焊縫組織形態(tài)為柱狀晶奧氏體+蠕蟲狀鐵素體。圖2 （f）中，焊接是在過渡層焊接之后進(jìn)行，焊接熱積累顯著，在多道次熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)晶粒粗化明顯，形態(tài)由母材的扁平化特征生長為粗大塊狀。熱影響區(qū)晶粒長大程度與單道次焊接熱輸入、 多道次焊接熱積累、 基體原始晶粒尺寸、 填充金屬塑性變形量大小及焊縫溫度梯度等因素綜合作用有關(guān)。

圖2 2205/X65 復(fù)合管焊接接頭宏觀形貌及各區(qū)域微觀組織照片

當(dāng)多道次焊接熱積累、 單道次焊接熱輸入均較小，焊絲拉拔過程塑性變形量較大時(shí)，焊后HAZ 晶粒也可能有明顯長大； 當(dāng)焊接熱積累、熱輸入均較大，而焊縫溫度梯度較大時(shí)，則HAZ 晶粒的長大也是有限的[15-16]。

通過定量金相技術(shù)對(duì)復(fù)層焊縫中部和過渡層焊縫中部進(jìn)行兩相比例測定分析，結(jié)果見表4。結(jié)果表明2205/X65 復(fù)合管焊接接頭復(fù)層和過渡層焊縫鐵素體含量均在35%～65%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 2205/X65 復(fù)合管焊接接頭鐵素體相比率測試結(jié)果

5 2205/X65 雙金屬復(fù)合管焊縫性能

5.1 力學(xué)性能

對(duì)2205/X65 雙金屬復(fù)合管進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果顯示：焊縫抗拉強(qiáng)度為681 MPa，-10 ℃母材、 HAZ 和焊縫沖擊功均值分別為292 J、 237 J和106 J，-15 ℃DWTT 剪切面積達(dá)到100%，焊接接頭正反彎曲 （彎角180°，彎軸直徑70 mm）后拉伸面無裂紋，強(qiáng)度、 塑性和低溫韌性匹配良好，復(fù)層焊縫硬度值228～254 HV10，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的300 HV10； 基層焊縫硬度值195～235 HV10，均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的248 HV10； 顯微硬度值分布均衡，無超標(biāo)硬度點(diǎn)存在。表明2205/X65 雙金屬復(fù)合管焊縫性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠。

5.2 抗腐蝕性能

5.2.1 復(fù)層母材及焊縫HIC 和SSCC

HIC 試樣經(jīng)過96 h H2S 飽和A 溶液浸泡試驗(yàn)后，經(jīng)表面宏觀檢查，所有試樣外表面無氫鼓泡和裂紋產(chǎn)生，所有試樣剖面經(jīng)顯微觀察均無HIC 裂紋，裂紋敏感率CSR、 裂紋長度率CLR和裂紋厚度率CTR 均為0。表明復(fù)合管復(fù)層母材及焊縫對(duì)HIC 不敏感。復(fù)合管復(fù)層母材及焊縫的SSCC 試樣在80%屈服強(qiáng)度應(yīng)力水平作用下，在H2S 飽和A 溶液中加載720 h，全部試樣均未發(fā)生SSCC 開裂，放大10 倍檢查，試樣表面無裂紋，表明復(fù)合管具有優(yōu)良抗SSCC 性能。

5.2.2 復(fù)層母材及焊縫抗晶間腐蝕

采用ASTM A262 E 法對(duì)復(fù)層母材和焊縫進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試樣經(jīng)彎曲后拉伸面均無裂紋?？梢钥闯?，復(fù)合管復(fù)層母材和焊縫抗晶間腐蝕性能優(yōu)良，均滿足API 5LD—2015 《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》 和SY/T 6623—2012 《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》 標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目指標(biāo)要求。

5.2.3 模擬環(huán)境腐蝕速率試驗(yàn)

在H2S 分壓0.8 MPa、 CO2分壓1.5 MPa、 Cl-濃度≤15%條件下，依據(jù)GB 10124—1988 《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕浸泡試驗(yàn)方法》 對(duì)復(fù)合管復(fù)層及焊縫進(jìn)行腐蝕速率測試，結(jié)果見表5。從表5可知，焊縫和母材腐蝕速率均≤0.000 99 mm/a。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究開發(fā)的2205/X65 雙金屬復(fù)合管完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和具體項(xiàng)目指標(biāo)要求，在“四高” （高溫、 高H2S、 高CO2、 高Cl-）等油氣田服役環(huán)境下能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行。

表5 2205/X65 雙金屬復(fù)合管復(fù)層母材及焊縫模擬環(huán)境腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 論

（1）開發(fā)的以ER309 作為過渡填充金屬的MAG+TIG 焊接工藝，有效抑制了耐蝕合金元素的稀釋，確保了復(fù)合管焊縫組織的相結(jié)構(gòu)特征及相比例關(guān)系，復(fù)層焊縫和過渡層焊縫鐵素體含量平均值分別為45.62%和39.98%，均處在35%～65%合理范圍內(nèi)，保證了復(fù)合管焊縫的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

（2）開發(fā)的焊接工藝技術(shù)，可用于大直徑2205/X65 復(fù)合管的工程化批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可用于含有H2S、 CO2及Cl-等強(qiáng)腐蝕性服役環(huán)境下管道用材。