1、第28卷第2期1999年4月鋼管STEELPIPEVol128,No12Apr11999國外鋼管管道管用馬氏體不銹鋼無縫鋼管的開發摘要開發了在CO2環境下使用的0.01C-11Cr-1.5Ni-0.5Cu-0.01N2+微量H2S環境下使用的0.01C-12Cr-5Ni-2Mo-0.01該兩種鋼管的強度都是X80級,夏氏沖擊值在100J(-,作處理也不會產生裂紋的優異焊接性能。13r鋼具有更優異的耐CO2腐蝕性能,+微量2Sr鋼在10%NaCl水溶液、pH4.0,0.2S。關鍵詞管道管馬氏體不銹鋼無縫鋼管化學成分性能前言油井和天然氣井用管材在高溫、高CO2分壓和高Cl2濃度(特別是含有H2S)

2、的條件下工作時,常被CO2腐蝕并產生應力裂紋(SSC)。輸送石油、天然氣的管道管也是如此,因此也要求具有與油井管材料一樣的耐腐蝕性能。以前,這種管道管是靠注入腐蝕抑制劑防腐的,或是使用雙相不銹鋼等耐腐蝕鋼管。但是,注入腐蝕抑制劑會提高成本,并且在高溫下效果也不穩定,此外由于泄漏還會污染環境;而雙相不銹鋼雖然具有良好的耐蝕性能,但材料的成本太高。由于馬氏體不銹鋼的焊接性能差,在焊接時要進行預熱和焊后熱處理(PWHT),因此,該不銹鋼作為管道管材料使用的例子目前尚少。但是,馬氏體鋼具有一定的耐腐蝕性能,且成本較低,若能提高其焊接性能等,就可以生產出低成本的馬氏體不銹鋼無縫鋼管,滿足石油、天然氣用管

3、道管的使用要求。為此,川崎制鐵公司開發出在CO2環境下具有比13Cr油井管耐腐蝕性能更好的11Cr鋼管,同時還開發出在CO2+微量H2S1CO2環境下管道管用11Cr鋼管的開發1.1開發目標在CO2環境下管道管用馬氏體不銹鋼無縫鋼管的開發目標如下。(1)焊接性能:不用預熱和PWHT就可以進行焊接。(2)耐CO2腐蝕性能:具有與油井管用0.2C-13Cr鋼管同等以上的性能。(3)低溫韌性:母材和焊接區夏氏沖擊值在100J(-40下)以上。(4)強度:屈服強度在360MPa以上(API5L標準中X52級以上)。(5)熱加工性能:可以采用曼內斯曼方式生產無縫鋼管。1.2實驗室研究1.2.1成分設計由

4、于馬氏體不銹鋼焊接時,伴隨焊接熱影響區馬氏體相變引起的硬化會產生裂紋,同時焊接金屬中溶解的氫也會引起裂紋產生,因此應降低鋼中C和N的含量,以控制馬氏體相變引起的硬化。有報道指出,在馬氏體不銹鋼中把C和N的總量控制在0.04%以下,即使不經過預熱和焊后熱處理也可以阻止焊接區裂紋的產生。此外,C含量降低后,鉻碳化物減少,還環境下使用的12Cr鋼管。本文重點介紹新開發的管道管用馬氏體不銹鋼無縫鋼管的成分設計和性能,供國內同行參考和借鑒。56第28卷第2期奧氏體生成元素,減少C,Si等鐵素體生成元素的含量,可提高鋼的熱加工性能。根據以上思路,以0.01C-(11,12)Cr-Ni-Cu-0.01N為基

5、本成分,熔煉出小型鋼錠,其化學成分見表1所列。15,?？商岣咪摰哪透g性能。熱加工性能是決定無縫鋼管表面質量的非常重要的因素。在馬氏體不銹鋼無縫鋼管生產過程中有鐵素體相生成時,鋼的熱加工性能明顯降低,表面質量變壞,有時甚至不能制管。因此,添加或提高Ni,Mn,Cu等表%0.rC0.0.20.02Cr111213134.01.0i02.0Cu01.5MoN0.010.030.020.05低C-13Cr火,可以得到高韌性,并且屈服強度可達到目通過斜置Y形焊接裂紋試驗評價焊接熱標值550MPa(即X80級)。Cu含量超過1%影響區產生裂紋的敏感性,焊接材料使用馬氏的鋼回火后,有高強度低韌性的傾向,故

6、選定1.2.2焊接性能體不銹鋼鈦鈣型手工電弧焊條,預熱溫度分別鋼的Cu含量為015%。為30,70和100。表2列出了試驗條件和斜置Y形焊接裂紋試驗結果。對C和N降低到0.01%的鋼,在焊接后120h觀察發現,即使預熱溫度為30,所有的材料也都未產生裂紋。11213機械性能含Cu量0115%的12Cr鋼,在ACl相變點下,經600700及30min回火后,其夏氏沖擊值(在0下)與屈服強度的關系如圖1所示。從圖1可知,將該鋼在適當的條件下回圖1不同含Cu量的12Cr鋼(0101C212Cr21.0Ni20.01N)的屈服強度與夏氏沖擊值(在0下)的關系Cu0Cu015%Cu110%Cu115%表

7、211Cr和12Cr鋼斜置Y形焊接裂紋試驗結果材料成分0.03C-0.01N0.01C-0.03N0.01C-0.01N11Cr-1.0Ni-0.5Cu12Cr-1.0Ni-0.5Cu12Cr-1.0Ni-1.0Cu12Cr-2.0Ni-0.5Cu預熱溫度 3070100有裂紋有裂紋無裂紋無裂紋無裂紋有裂紋有裂紋無裂紋無裂紋無裂紋有裂紋有裂紋無裂紋無裂紋無裂紋注:鋼板厚度-15mm;焊接金屬-410型,外徑4mm(擴散氫4128cc 100g);焊接條件-電流60A,電壓2426V,速度150mm min;試驗條件-室溫30,濕度60%RH。鋼管11214耐CO2腐蝕性能曹長娥編譯:管道管用馬

8、氏體不銹鋼無縫鋼管的開發57為了評價耐CO2腐蝕性能,采用高壓鍋進行腐蝕試驗。將3mm×25mm×50mm的試樣在20%NaCl水溶液中浸漬,在310MPa下且CO2達到飽和之后,在80下保持7天,然后將重量減少速度換算成腐蝕速度(mm a),以此作出評價。試驗對比材料為油井用012C-13Cr2油井用0102C-13-1鋼管添加CuCr,Ni含量的增高或C含量的降低而減小,根據回歸結果,整理并定義Cr-10C+2Ni為CO2腐蝕指數(CCI)。沒有添加Cu的鋼產生點腐蝕,腐蝕速度快。由此可知,即使是將Cr降低到11%,但添加了Cu(CCI達到12以上),11Cr鋼還是能獲

9、得比油井管用012C-13Cr鋼更高的耐CO2腐蝕性能。113實際生產的鋼管性能考慮到實驗室研究的結果以及鋼管的熱加工性能,選擇0101C-11Cr-1.5Ni-0.5Cu-0.01N成分的鋼經轉爐熔煉,軋制成圖2腐蝕速度與CO2腐蝕指數(CCI)之間的關系1-點狀腐蝕0101C-12Cr-1.0Ni2-0101C-(11,12)Cr-Ni-Cu3-012C-13Cr4-11Cr-1.5Ni-0.5Cu鋼鋼管作成圓周焊接接頭,采用該鋼種最一般的焊接方法進行焊接,焊接材料使用25Cr雙相不銹鋼,焊接方分別采用全層(17層)GTAW(氣體保護鎢極電弧焊)焊接及底層用GTAW、表面層用GMAW(手工

10、電弧焊)焊接。焊接材料和母材的化學成分見表3,焊接條件見表4。焊接試驗表明,即使不進行預熱和PWHT,該鋼管也不會產生焊接裂紋,說明它具有良好的焊接性能。焊接接頭的抗拉試驗以及側彎曲試驗結果見表5所列?？估囼炛腥珜覩TAW接5273mm×1217mm的鋼管,經過淬火和回火后,把屈服強度調整至X80級。為了評價焊接區的特性,把試制的11Cr表311Cr-115Ni-0.5Cu鋼管的焊接材料和母材化學成分%材料11Cr母材GTAW充填焊絲GMAW焊絲C0.010.010.02Si0.160.300.33Mn1.130.380.41Cr11.125.325.1Ni1.59.59.6Cu0

11、.484.04.0MoN0.010.270.27表411Cr-115Ni-0.5Cu鋼管的焊接條件焊接方法GTAWGTAW+GMAW道次1-72(GMAW)焊絲直徑焊接電流焊接電壓焊接速度 mmAVcmmin-1210,214210112150190131516.5146150131514105.37.2410615線能量kJcm-20-3530191保護氣體ArArAr頭和GTAW+GMAW接頭都在母材部位斷裂,側彎曲試驗的彎曲半徑為8mm,兩接58第28卷第2期接頭的夏氏沖擊試驗結果如圖3所示。試驗是在熔合區、焊接熱影響區和母材上進行的。焊接熱影響區的韌性比母材高,熔合區韌性稍低于母材,-

12、40下的夏氏沖擊值在100J以上。頭即使彎曲180°也未產生裂紋。全層GTAW接頭和GTAW+GMAW接頭的硬度值在HV240310范圍內,熱影響區高些。兩種接頭之間的硬度值差別不大,兩種表511Cr-115Ni-0.5Cu MPaGTAW接頭GTAW+GMAW接頭MPa717748延伸率%242522側彎曲試驗斷裂位置母材母材無裂紋無裂紋母材59372613Cr鋼管。兩種接頭的腐蝕速度約是油井管用012C-13Cr鋼管的1 2,其焊接區也沒有選擇性腐蝕。表611Cr-1.5Ni-0.5Cu鋼管焊接接頭耐CO2腐蝕試驗結果材料GTAW接頭GTAW+GMAW接頭腐蝕速度 mma-010

13、300102901033010591母材012C-13Cr由上述試驗結果可以確定,新開發的圖311Cr-1.5Ni-0.5Cu鋼管焊接接頭夏氏沖擊值和溫度之間的關系11Cr-1.5Ni-0.5Cu鋼管,在CO2環境下熔合線HAZBM用作管道管具有足夠的焊接性能、機械性能和耐腐蝕性能。2在CO2+微量H2S環境下管道管用12Cr焊接接頭區CO2腐蝕試驗結果見表6。試樣(3mm×25mm×50mm)取自鋼管內表面,將其放在310MPa,10%NaCl飽和水溶液中,80下保持7天進行腐蝕性試驗。試驗對比材料為11Cr鋼管和油井管用012C-鋼管的開發211開發目標在CO2+微量H

14、2S環境下的管道管用馬氏體不銹鋼無縫鋼管的開發目標,除與上述鋼管曹長娥編譯:管道管用馬氏體不銹鋼無縫鋼管的開發59CO2環境下管道管用馬氏體不銹鋼無縫鋼管相同外,還應加上耐SSC,即在H2S分壓01001MPa,5%NaCl水溶液,pH410環境下的耐SSC特性。212成分設計馬氏體不銹鋼的SSC,在形成鈍態皮膜的環境下,最初是產生點腐蝕。因此,提高能。M素,MoNSSC性能的影響如圖4所示。+微量H2S環境下管道管用馬氏體不銹鋼無縫鋼管的化學成分(%)定為0101C-12Cr-5Ni-2Mo-0.01N。213實際生產的鋼管的性能用經轉爐熔煉的0101C-Cr-5Ni-2M-0.mm、壁厚1

15、,、回火處級。,與11Cr鋼管一樣將其制作為圓周焊接接頭。其焊接材料仍用25Cr雙相不銹鋼,焊接方分別采用全層(16層)GTAW焊接和底層用GTAW,表面層用GMAW焊接,都不進行預熱和PWHT。焊接材料和母材的化學成分見表7所列,焊接條件見表8所列。焊接試驗結果和前述的11Cr鋼管相同,12Cr鋼管無論如何焊接都不會產生裂紋,說明具有良好的焊接性能。表712Cr-5Ni-2Mo鋼母材和焊接材料的成分%材料C0.010.010.02Cr12.025.325.1Ni5.19.59.6Mo2.04.04.0N0.010.270.27圖4Ni和Mo含量對01025C-13Cr鋼耐SSC的影響(溶液:

16、5%NaCl+015%CH3COOHpH:用CO3COONa調整使用壓力:654MPa)母材GTAW充填焊絲GMAW焊絲4Ni-1Mo4Ni-2Mo5Ni-1Mo5Ni-2Mo空:無裂紋實:有裂紋Ni對SSC試驗結果影響較小,而Mo含量為1%2%時影響較大。在H2S分壓01001MPa,5%NaCl水溶液中,pH410環境下,選擇Mo含量為2%可以確保焊接熱影響區的耐SSC性能。如前述與11Cr鋼管一樣,把C和N含量降低到0101%,就能確保其焊接性能。由于添加了Mo,并降低了C和N的含量,因此12Cr鋼的熱加工性能會降低,為對其補償,應添加5%的Ni元素。根據上述研究結果,將新開發的在CO2

17、對焊接接頭進行抗拉試驗、側彎曲試驗,測定硬度和夏氏沖擊試驗的方法基本與前述11Cr鋼管焊接接頭的相同。焊接接頭的抗拉試驗和側彎曲試驗的結果如表9所列。在抗拉試驗中,兩種接頭都在母材上斷裂,側彎曲也沒有使焊接接頭產生裂紋。全層GTAW焊接的接頭和GTAW+GMAW焊接的接頭的硬度在HV230330范圍內,兩種焊接接頭的硬度值差別不大,新開發的12Cr鋼焊接接頭的硬度略高于新開發的11Cr鋼,這是由于Ni和Mo的含量增加的緣故。60第28卷第2期具有良好的低溫韌性,熔合區比其他部位稍低,在-80下達到200J。全層GTAW接頭和GTAW+GMAW接頭的夏氏沖擊試驗結果如圖5所示,表明表811Cr-

18、5Ni-2Mo鋼管圓周焊接條件焊接方法GTAW道次161(GTAW)(G焊絲直徑焊接電流焊接電壓焊接速度mmAVmmin-1210,214210121451911410517.4715線能量kJc-1827171ArArGTAW+GMAW表9Cr5Ni-5Mo鋼管焊接接頭的機械性能焊接接頭和母材GTAWGTAW+GMAW屈服強度拉伸試驗抗拉強度延伸率845856303034破壞位置母材母材側彎曲試驗無裂紋無裂紋母材634827CH3COOH混合水溶液組成,pH值用CH3COONa調整到410或415,H2S壓力為01001或01002MPa,負荷應力定為567MPa,相當于母材屈服強度的90%。試驗結果表明:即使在10%NaCl,pH410,01002MPaH2S的條件下,12Cr鋼管也不會產生SSC。因此,新開發的12Cr鋼管接頭具有良好的耐SSC特性。由試驗結果可以確