马氏体不锈钢HFW管线管的开发

时间：2024-08-31

肖国章，高霞，马星，赵波锋编译

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司石油专用管分公司，陕西宝鸡721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司输送管分公司，陕西宝鸡721008；4.中国船级社质量认证公司，北京100006）

0 前言

油气井开发进入中后期，CO2含量大大增加，在该环境中可以使用马氏体不锈钢油井管。但是，由于马氏体不锈钢的焊接性较差，没能得到普遍应用。近几年，一些新型不锈钢改进了其焊接性并投入了使用，但是仍然没有将马氏体不锈钢应用于HFW焊管中。

本研究开发了一种具有良好可焊性和抗湿CO2腐蚀的新型马氏体不锈钢HFW焊管。该马氏体不锈钢中w （Cr）=11%～13%，还有Ni及少量的Mo，C和N。化学成分的控制使该钢具有良好的抗腐蚀性及可焊性。焊接采用了惰性气体保护，防止焊接过程中Cr以氧化物形式产生，焊缝质量良好，焊管具有很好的外观尺寸。笔者就该产品的材料设计理念、生产工艺、外观尺寸、力学性能、抗腐蚀性及焊接性进行了介绍。

1 材料设计理念

1.1 目标性能

马氏体不锈钢管线管的服役环境如图1所示。本次开发的目标是得到表1所示性能的抗湿CO2腐蚀的马氏体不锈钢。

图1 马氏体不锈钢管线管的服役环境

表1 新型马氏体不锈钢合金的目标性能

1.2 新型马氏体不锈钢开发的基本理念

本次设计基本理念是使马氏体不锈钢管线管得到好的焊缝强度、焊接性及抗腐蚀性，如图2所示。为了得到良好的抗CO2腐蚀性能，w（Cr）必须大于等于11%；低的C和N含量使焊缝热影响区的硬度降低；添加Ni预防δ-铁素体粗晶粒的形成和焊缝热影响区强度的降低；添加Mo提高含H2S湿CO2环境的抗SSC能力。

图2 新型马氏体不锈钢合金设计理念

2 新型马氏体不锈钢HFW管线管开发

2.1 化学成分及生产工艺

试验用马氏体不锈钢化学成分见表2，生产工艺如图3所示。热轧后空冷母材具有大的马氏体结构，生产的带钢在AC1线下退火，得到要求的强度。带钢成型后通过HFW得到φ273 mm×7.8 mm规格钢管。采用CO2气体保护焊接以防止生成Cr的氧化物，采用在线焊缝热处理降低焊缝硬度。

表2 新型马氏体不锈钢化学成分%

图3 新型马氏体不锈钢管线管生产工艺

2.2 力学性能及组织

2.2.1 强度

母材和焊缝拉伸试验结果见表3。从表3可以看出，断裂处在母材，表明焊接性良好。在25℃，100℃和200℃时焊缝的屈服强度和抗拉强度如图4所示。随着温度的升高屈服强度有少量的降低，在100～150℃温度时，焊缝的屈服强度与室温时的屈服强度接近。

表3 拉伸试验结果

图4 25益，100益和200益时焊缝强度

图5 -20益时母材和焊缝的横向夏比冲击值（1/2尺寸）

2.2.2 韧性

母材和焊缝的夏比冲击性能如图5所示，在-20℃具有足够的冲击值。焊缝经热处理后，热影响区不同位置的V形槽试验结果见表4。

表4 -20益时焊缝不同位置的夏比冲击功

2.2.3 裂纹尖端张开位移（CTOD）

表5-20益时CTOD试验结果

裂纹尖端张开位移试验（-20℃）结果见表5。

2.2.4 硬度

母材和焊缝的维氏硬度试验结果如图6所示，HV10＜300，满足不高于350的目标要求。

图6 母材及距焊缝中心不同位置的硬度试验结果

2.2.5 金相组织

母材和焊缝的金相组织如图7所示，可以看出均为回火马氏体。

图7 焊缝和母材金相组织

2.3 钢管外观尺寸

试验钢管的圆度和偏心度见表6，圆度和偏心度的平均值分别为0.15%和0.9%，HFW焊管外观尺寸大大优于普通无缝钢管。

表6 试验钢管圆度和偏心度

2.4 焊接接头

焊接接头采用气体保护钨极电弧焊（GTAW），焊缝的剖面图和组织见图8。焊缝横向拉伸试验值为770 MPa，776 MPa和781 MPa，且均在母材上断裂。表7为-20℃横焊缝接头夏比冲击性能。CTOD试验结果见表8。试验结果表明，焊缝性能和母材一样良好。焊接参数见表9。

图8 横焊缝金相组织照片

表7 -20益横焊缝接头夏比冲击功（横向，1/2尺寸）

表8 -20益横焊缝接头CTOD试验结果

表9 环焊缝焊接参数

3 腐蚀性能

3.1 一般腐蚀性能

在100℃，H2S分压分别为0 MPa和0.01 MPa时，25%NaCl溶液中，对母材和焊缝进行腐蚀试验。分别对试样进行喷丸和机加工，腐蚀720天后，腐蚀速率低于0.01 mm/a，没有出现腐蚀裂纹。

3.2 SSC性能

对管线管进行SSC试验，试验条件为25℃，H2S分压 0.01 MPa，CO2分压 10 MPa， 5%NaCl溶液，pH值为4，施加100%屈服强度。试验720天后，没有出现腐蚀裂纹。

3.3 阴极保护性能

阴极保护下抗氢脆检验条件（四点弯曲试验）如下：①焊缝取横焊缝与HFW焊缝，不压平；②焊接试样表面保持原貌，机加工平后抛光，HFW焊缝保留原貌；③施加应力为100%屈服强度；④试验溶液为3.5%NaCl，试验前pH值5.4，试验后 pH 值 5.8（-1 194 mV）和 6.3（-894 mV）；⑤阴极保护条件为-1 194 mV vs SCE（-1 150 mV vs Ag/AgCl）， -894 mV vs SCE （-850 mV vs Ag/AgCl）；⑥试验时间为90天，温度为25℃。

在-1 194 mV vs SCE阴极过保护条件下，没有裂纹出现，甚至在阴极保护时不出现氢脆。