畢宗岳，黃曉輝，李銀山，韋 奉，卿俊杰，王 磊，范才強，蘆 琳

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018； 2.中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008； 3.寶雞寶管石油專用管有限公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

目前，全球已建二氧化碳輸送管道數(shù)萬千米，其中美國約有近8 000 km二氧化碳輸送管道，其余二氧化碳輸送管道主要分布在加拿大、挪威和土耳其等國家，二氧化碳多為超臨界態(tài)輸送[1-2]。在壓力超過7.38 MPa、溫度大于31.1 ℃時，二氧化碳可以變?yōu)槌R界狀態(tài)，由于超臨界二氧化碳兼具液體的高密度和氣體的低粘度，對于大規(guī)模輸送來說，超臨界態(tài)二氧化碳管道輸送最為經(jīng)濟，是最優(yōu)選擇[3-4]。國外已建成的二氧化碳輸送管道設(shè)計壓力普遍為8～20 MPa，中小管徑普遍采用性價比高的高頻焊（HFW）鋼管[5-6]。而當前國內(nèi)已建成的極少數(shù)二氧化碳管道采用氣相輸送，尚未采用超臨界二氧化碳輸送。二氧化碳和天然氣主要成分甲烷的物理特性差異較大，因為二氧化碳的減壓曲線存在平臺，驅(qū)動力更強，韌性斷裂擴展的敏感性更高，因此使用高韌性的鋼管才能達到止裂條件。而且二氧化碳由于相變會發(fā)生焦耳湯姆遜冷卻效應(yīng)，在管道失效泄漏或放空時，密度會發(fā)生劇烈突變，在強節(jié)流效應(yīng)下形成-78～-30 ℃低溫，并可能有干冰生成，導(dǎo)致輸送二氧化碳的鋼管母材和焊接接頭的設(shè)計溫度要低于天然氣管道，比如美國建造的“Cortez”二氧化碳管道韌性設(shè)計溫度下降到-30～-25 ℃[1,3]。所以，開發(fā)的二氧化碳管道要求具備優(yōu)異的低溫抗脆性啟裂能力和抗裂紋延性擴展能力，也就是鋼管要求具有較高的低溫韌性[7]。

針對國內(nèi)CCUS 示范工程超臨界二氧化碳管道輸送，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司聯(lián)合鋼廠設(shè)計開發(fā)出低溫性能優(yōu)異的低碳中錳微合金X60M鋼級卷板，采用HFW 高頻焊工藝成功開發(fā)出X60M鋼級超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管，各項性能指標均達到較好結(jié)果，特別是低溫韌性達到目前行業(yè)超臨界二氧化碳輸送管道較高水平，為高質(zhì)量CCUS 超臨界二氧化碳輸送管道工程建設(shè)提供了堅實的管材基礎(chǔ)。

1 卷板成分及組織設(shè)計

超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管用卷板成分設(shè)計主體思路是低碳中錳微合金化，嚴格控制硫和磷含量，減少卷板成分偏聚和組織偏析，為使HFW焊接過程中焊縫中氧化物易于排出，嚴格控制w（Mn）/w（Si）在5～7范圍內(nèi)，以減少HFW焊縫中高熔點錳-硅-氧夾雜物的形成，添加適量的鈮、釩、鈦等微合金元素，可細化組織，提高板材的低溫韌性和強度，抑制HFW焊接熱影響區(qū)晶粒粗化[8-9]，此外添加鉻、鎳等合金元素可提高板材的強度，X60M鋼級超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管熱軋卷板化學(xué)成份見表1，且w（Mn）/w（Si）=6.4。

表1 X60M鋼級熱軋卷板化學(xué)成分 %

在組織設(shè)計上，采用全流程潔凈化冶煉技術(shù)，特別是LF、RH 同爐精煉、電磁攪拌和大噸位壓下技術(shù)，減少夾雜物含量和鑄坯偏析，組織為扁平細小的多邊形鐵素體（PF） +珠光體（P），無明顯帶狀偏析，而均勻細小的微觀結(jié)構(gòu)可增加裂紋擴展行程，減小裂紋進一步傳播[10]。X60M 板材微觀組織如圖1 所示，晶粒度為10.5級左右，非金屬夾雜物評級未超過0.5，組織中超低的S、P 含量和較少的夾雜物控制能大幅提高低溫韌性，可抑制管道在沖擊載荷下的裂紋萌生和裂紋快速擴展，確保管道安全運行。

圖1 X60M鋼級熱軋卷板金相組織

2 HFW鋼管制造工藝研究

HFW 制管工藝主要是將熱軋卷板經(jīng)過輥壓成型后，利用高頻電流的鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)，將管材待焊接邊部快速加熱到1 300 ℃左右，在擠壓輥擠壓力作用下實現(xiàn)焊縫高溫連接[9]。板材邊部形狀、管材成型工藝、焊接工藝等都會對管材質(zhì)量和性能造成影響。由于超臨界二氧化碳輸送管道承壓高，為了提高低溫管材的性能，需要進一步研究優(yōu)化管材成型擠壓工藝、焊接工藝和熱處理工藝，開發(fā)出超臨界二氧化碳輸送用X60M鋼級的高性能Φ323.9 mm×10 mm直縫HFW鋼管。

2.1 成型工藝研究

針對開發(fā)的超臨界二氧化碳輸送用X60M鋼級Φ323.9 mm×10 mm 鋼管，鋼帶邊部采用高精度銑削工藝，確保邊部整潔，形狀一致。鋼管成型采用排輥下山成型法，依據(jù)管徑曲率和實際強度適當增大擠壓輥擠壓量。焊縫外毛刺形狀是成型擠壓量和HFW焊縫質(zhì)量最直觀的反映[11]。圖2為超臨界二氧化碳輸送用X60M鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管不同擠壓量下焊縫截面和外毛刺形貌。圖2（a）中，擠壓量為4.5 mm時，擠出金屬毛刺整體呈現(xiàn)扁平的圓弧狀，壓倒在焊縫金屬表面，且毛刺中有較大的空洞和回流夾雜；焊縫及熱影響區(qū)均較寬，屬于典型的擠壓量不足，未能徹底擠出焊縫中的氧化物和夾雜。圖2（b）中擠壓量為5.5 mm 時，擠出金屬毛刺呈蘑菇狀覆蓋在焊縫金屬上部，并和焊縫金屬局部熔合，毛刺相對飽滿；焊縫及熱影響區(qū)寬度適宜，此種情況擠壓量合適，焊縫質(zhì)量較好。圖2（c）中，擠壓量為5.75 mm 時，焊縫金屬毛刺相對較寬，焊縫中心熱影響區(qū)寬度變小，內(nèi)外表面熱影響區(qū)寬度變大，易造成氧化物和夾雜擠出不徹底。所以，在此鋼級和規(guī)格下，擠壓量為5.5 mm 時，確保了HFW焊縫金屬的潔凈度較高。

圖2 不同擠壓量下焊縫及外毛刺形貌

2.2 焊接工藝研究

針對開發(fā)的超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管，為了盡可能減少或消除焊縫處的氧化物夾雜，提高焊縫韌性，通過工藝試驗和優(yōu)化，焊接開口角適當減小，控制在3°～5°以便增加擠壓量；在相同擠壓力下，盡可能提高焊接速度；根據(jù)壁厚，焊接頻率調(diào)整為415～435 kHz。選擇三種焊接工藝（見表2），研究焊縫低溫韌性變化情況。圖3為不同焊接工藝下焊縫沖擊功隨溫度變化情況?？梢姽に?對應(yīng)的焊縫韌性最高，在-75 ℃時，焊縫夏比沖擊功仍然達到了200 J。為了進一步提高焊縫韌性，對焊縫進行930 ℃奧氏體化高溫?zé)崽幚?，消除焊縫中存在的硬相組織，提高焊縫與母材組織的一致性。圖4 為工藝1 焊縫熱處理后焊接接頭的組織照片，可見熱影響區(qū)和焊縫組織均為F+PF+P組織，晶粒度均為10.5 級，晶粒細小，組織均勻，與母材基本一致，焊縫未見明顯夾雜物，確保了焊接接頭具有優(yōu)異低溫韌性[6,12]。

圖3 不同焊接工藝焊縫沖擊功隨溫度變化曲線

圖4 HFW焊接接頭金相組織

表2 超臨界二氧化碳HFW焊管焊接工藝研究

3 鋼管力學(xué)性能

采用德國16 in 直縫高頻電阻焊管（HFW）生產(chǎn)線，在上述焊接工藝下，批量試制了超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW鋼管。

3.1 低溫沖擊韌性

采用ZWICK PSW750J 型示波沖擊試驗機，對X60M鋼級Φ323.9 mm×10 mm鋼管母材、焊縫和熱影響區(qū)分別進行系列溫度下的夏比沖擊試驗，結(jié)果如圖5 所示。在-75～0 ℃系列溫度下，母材、焊縫和熱影響區(qū)都具備較高的沖擊韌性，沖擊功都大于204 J；母材、焊縫和熱影響區(qū)的剪切面積均大于85%。表3 為-45 ℃下超臨界二氧化碳HFW 鋼管不同位置處的夏比沖擊韌性及剪切面積，可見，-45 ℃下，焊縫、熱影響區(qū)及母材的平均沖擊功，均不小于237 J，具有良好的低溫韌性。

圖5 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管系列溫度韌脆轉(zhuǎn)變曲線

表3 -45 ℃下超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管沖擊試驗結(jié)果

3.2 拉伸強度

采用ZWICK Z1200KN型萬能材料試驗機進行拉伸試驗，結(jié)果見表4。母材抗拉強度為580～620 MPa，焊縫抗拉強度為570～620 MPa，焊縫與母材抗拉強度基本一致，均高于X60鋼級要求的最低值（520 MPa）。同時，屈強比≤ 0.89，完全符合標準要求，且強度具有一定余量，能確保鋼管服役更加安全[13]。

表4 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管母材橫向、焊縫拉伸試驗結(jié)果

3.3 硬度檢測

圖6 為超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mmHFW 鋼管焊接接頭硬度分布圖，焊縫、母材、熱影響區(qū)硬度分布較均勻，均低于220HV10，管體母材最高硬度213HV10，焊縫最高硬度207HV10，焊接接頭平均硬度僅193HV10。較低的硬度值利于避免管道應(yīng)力腐蝕的發(fā)生[14-15]。

圖6 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管焊接接頭硬度分布

3.4 壓扁試驗

壓扁試驗可直接反映HFW 焊管焊縫質(zhì)量的控制水平和焊管綜合力學(xué)性能。取250 mm長試驗管段，進行整管壓扁試驗，依據(jù)ASTM A370-22a 標準要求，采用YH41-100C 壓扁試驗機將焊縫分別置于12 點位置和3 點位置位置進行壓扁試驗，板間距離先分別壓至0.33D和0.50D，觀察有無裂紋，再壓至貼合觀察裂紋（平板間距0 mm），如圖7所示?？梢妰煞N情況下均未出現(xiàn)任何裂紋，壓扁試驗結(jié)果見表5，可以看出，試驗結(jié)果遠高于API SPEC 5L 標準要求。

圖7 HFW鋼管壓扁試驗后形貌

表5 超臨界二氧化碳輸送用HFW鋼管壓扁試驗結(jié)果

3.5 靜水壓爆破試驗

為了進一步驗證超臨界二氧化碳輸送用X60M 鋼級Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管管體和焊縫承壓能力，選用長8 m 的整管試樣進行水壓爆破試驗，試驗依據(jù)SY/T 5992 標準進行，參考標準計算爆破壓力為32.11 MPa，實際試驗測得爆破壓力為39.31 MPa，高于計算爆破壓力，爆口形貌如圖8所示，起爆點位于鋼管母材上?？梢姽懿牟坏哂休^高的承內(nèi)壓能力，而且焊縫強度不低于母材。

4 結(jié) 論

（1）采用低碳中錳微合金化設(shè)計、潔凈化煉鋼和TMCP 控軋控冷技術(shù)研制的X60M 鋼級超臨界二氧化碳輸送管用熱軋卷板，金相組織以細長扁平的多邊形鐵素體（PF）+少量珠光體（P）為主，且低溫韌性優(yōu)異。

（2） 通過優(yōu)化HFW 鋼管成型焊接工藝，在擠壓量5.5 mm、焊接功率400 kW 左右、焊接速度17 m/min、焊接頻率425 kHz、焊縫熱處理溫度930 ℃等工藝下，開發(fā)出X60M 鋼級超臨界二氧化碳輸送用Φ323.9 mm×10 mm HFW鋼管，力學(xué)性能完全滿足GB/T 9711 PSL2要求，管體母材及焊縫強度高，低溫韌性好，并具有高的強塑性。

（3）-45 ℃的試驗溫度下，X60M 鋼級超臨界二氧化碳輸送用Φ323.9 mm×10 mm HFW 鋼管焊縫沖擊功為293～351 J、熱影響區(qū)沖擊功為219～315 J、管體沖擊功為248～342 J，所有試樣剪切面積為100%。當試驗溫度下降到-75 ℃時，管體、焊縫、熱影響區(qū)沖擊功均在204～350 J范圍內(nèi)，剪切面積為85%～100%，管材具有優(yōu)異的低溫韌性，提高了管道在低溫下的抗裂紋啟裂能力和裂紋擴展止裂能力，完全滿足超臨界二氧化碳管道設(shè)計要求，可保證管道的安全輸送。