李 艷，趙興亮，劉江成，張國柱

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

天津鋼管集團(tuán)股份有限公司2010年進(jìn)行了酸性環(huán)境X70QS管線管用無縫鋼管（簡稱X70QS無縫鋼管）的相關(guān)研究，并申請了相關(guān)專利。2015年獲得首個訂單，進(jìn)行了批量生產(chǎn)?，F(xiàn)對X70QS無縫鋼管的生產(chǎn)研制情況進(jìn)行介紹［1-4］。

1 X70QS與X65QS性能對比

X65QS是國內(nèi)外應(yīng)用最多的酸性環(huán)境用高鋼級無縫管線管，API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》對X70QS與X65QS的化學(xué)成分、幾何尺寸、探傷等的要求均相同，主要差別集中在力學(xué)性能和抗腐蝕性能上。API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)對X70QS與X65QS的性能要求對比見表1。同規(guī)格X70QS的延伸率要小于X65QS的。

2 材料設(shè)計(jì)

生產(chǎn)的X70QS無縫鋼管規(guī)格為Φ168.3 mm×18.26 mm，考慮到小規(guī)格厚壁管的特點(diǎn)，以C-Mn為基礎(chǔ)，融入Nb+V微合金設(shè)計(jì)，增加Mo元素的使用提高材料的淬透性并通過固溶強(qiáng)化和第二相彌散析出強(qiáng)化提高基體強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，能夠提高鐵素體對蠕變的抗力，同時避免碳化物在高溫下聚集，起到彌散強(qiáng)化的作用?？刂齐s質(zhì)元素P、S、O、H和五害元素（Pb、Sn、As、Sb、Bi）的含量，控制夾雜物的形狀和大小，夾雜物通常是氫原子聚集點(diǎn)，也是SSC裂紋源的起點(diǎn)，如MnS、Al2O3等［5-8］。雖然有研究［9］說明，Cu、Ni在H2S環(huán)境下腐蝕試樣后會在其表面產(chǎn)生一層鈍化膜從而抑制腐蝕。在設(shè)計(jì)Φ168.3 mm×18.26 mm規(guī)格X70QS無縫鋼管的化學(xué)成分時，未考慮添加Cu、Ni，而是限制合金元素Cu、Cr、Ni含量，保證穩(wěn)定的碳當(dāng)量。規(guī)定N 含量的上限和 Al含量，保證 w（Al）/w（N）≥2?？刂戚^低的C含量，并使碳當(dāng)量≤0.39%。

表1 API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)對X70QS與X65QS的性能要求對比

3 生產(chǎn)工藝

煉鋼工藝：采用短流程純凈鋼冶煉技術(shù)，EAF電弧爐冶煉+LF精煉+VD真空處理+CCM連鑄。

采用Φ168 mm PQF高精度軋管機(jī)組進(jìn)行軋制，其軋管工藝：管坯加熱→穿孔→軋管→定（減）徑→冷卻→鋸切→矯直→探傷→檢驗(yàn)。

采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝，其工藝為：淬火→回火→矯直→管體探傷→定尺→管端探傷→水壓試驗(yàn)→噴標(biāo)→終檢→戴管帽→入庫。

4 性能分析

連續(xù)生產(chǎn)9爐、共1 275支Φ168.3 mm×18.26 mm規(guī)格X70QS無縫鋼管?，F(xiàn)對這9爐無縫鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和抗腐蝕性能進(jìn)行分析。

4.1 化學(xué)成分

X70QS無縫鋼管的化學(xué)成分實(shí)測值見表2，化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)要求，同時各元素的波動范圍很窄，成分控制穩(wěn)定，保證了管材的性能穩(wěn)定；所有爐次w（S）≤0.003%、w（P）≤0.015%，w（O）≤0.002 0%，w（H）≤0.000 2%，從源頭上降低了雜質(zhì)元素的含量，保證了管材的抗腐蝕性能。

表2 X70QS無縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）實(shí)測值%

4.2 拉伸性能

按照API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)對X70QS無縫鋼管進(jìn)行縱向拉伸試驗(yàn)，取Φ12.7 mm圓棒試樣，具體拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，該X70QS無縫鋼管的屈服強(qiáng)度主要集中在520～560 MPa，最小實(shí)測值高出API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)最小要求值35 MPa；抗拉強(qiáng)度主要集中在610～650 MPa，最小實(shí)測值高出API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)最小要求值40 MPa；屈強(qiáng)比在0.83～0.86；延伸率均高于35%，最高達(dá)到51%，材料具有良好的延展性。X70QS無縫鋼管的拉伸性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求，性能波動范圍比較?。?0］。

表3 X70QS無縫鋼管的縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.3 沖擊韌性

一般鋼管橫向最低沖擊功CVN按SMYS（最小屈服強(qiáng)度）的1/10計(jì)；因此，X70鋼級酸性環(huán)境用無縫鋼管（最小屈服強(qiáng)度485 MPa）的CVN∧48.5 J（取整為 49 J 或者 50 J）［11-12］。X70QS 無縫鋼管的沖擊韌性設(shè)計(jì)是在API標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對沖擊要求按照先破后裂理論進(jìn)行計(jì)算，要求0℃沖擊功大于200 J，剪切面積百分比為100%，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃。采用試樣尺寸為10 mm×10 mm，槽口深度為2.0 mm，V型缺口，橫向，試驗(yàn)溫度0℃，實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)的沖擊功均在230 J以上，剪切面積百分比為100%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)中50 J的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說明該無縫鋼管具有良好的沖擊韌性。X70QS無縫鋼管的沖擊功實(shí)測值分布如圖1所示。隨機(jī)選擇一根X70QS無縫鋼管，在0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)，得到其在不同溫度下的沖擊功和剪切面積百分比，具體見表4，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度低于-80℃。

圖1 X70QS無縫鋼管的沖擊功實(shí)測值分布

表4 X70QS無縫鋼管在不同溫度下的沖擊功和剪切面積百分比

4.4 硬 度

鋼材的硬度（強(qiáng)度）是控制鋼材是否發(fā)生SSC的重要指標(biāo)。鋼材的硬度越高，開裂所需時間越短，說明SSC敏感性越高。ISO 15156∶2015《石油和天然氣工業(yè)油氣開采中用于含H2S環(huán)境的材料》對所有抗SSC材料均有硬度要求。X70QS無縫鋼管按照 API Spec 5L—2012附錄 H進(jìn)行橫向維氏（HV10）硬度測量，內(nèi)壁、中部、外壁3個位置共計(jì)12個硬度點(diǎn)；硬度實(shí)測值分布如圖2所示。硬度值主要集中在220 HV10，最大值為241 HV10，所有爐次全部滿足酸性環(huán)境使用鋼管硬度不大于250 HV10的要求。

4.5 金相組織

圖2 X70QS無縫鋼管的硬度實(shí)測值分布

按照ASTM E 45—2013《鋼中非金屬雜質(zhì)物顯微評定方法》和ASTM E 112—2013《金屬平均晶粒度測量方法》對X70QS無縫鋼管的夾雜物和晶粒度進(jìn)行評級，具體見表5。該X70QS無縫鋼管的非金屬夾雜含量低，夾雜物B類（粗）最大評級為1.0，D類（粗）最大評級為0.5級，純凈度好，為優(yōu)異的抗腐蝕性能提供了良好條件。條形MnS和鏈狀氧化物夾雜會增加氫鼓泡、HIC裂紋的出現(xiàn)［13］，有效降低B類和D類夾雜物，即降低了氫致開裂的可能性。細(xì)晶粒組織是抗HIC理想組織，因?yàn)楦嗟木Ы缈沙蔀镠的捕獲點(diǎn)，降低了局部氫壓，不易形成HIC；而具有低位錯密度的粗晶粒會增加裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)的氫聚集，促進(jìn)HIC［14］。X70QS無縫鋼管的晶粒度均在9級及以上，晶粒度細(xì)小。鋼材的顯微組織直接影響著鋼材的抗SSC性能。X70QS無縫鋼管的金相組織如圖3所示，為回火貝氏體B回+鐵素體F，這種組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是細(xì)小的貝氏體均勻地分布在針狀鐵素體表面，形成穩(wěn)定的金相組織，有利于管材具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。

表5 X70QS無縫鋼管的夾雜物及晶粒度等級 級

4.6 抗腐蝕性能

依據(jù)API Spec 5L—2012附錄H的要求，分別進(jìn)行了HIC和SSC（四點(diǎn)彎曲）試驗(yàn)。

圖3 X70QS無縫鋼管的金相組織

（1）HIC試驗(yàn)。HIC試驗(yàn)按照NACE TM 0284—2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用5%NaCl+0.5%CH3COOH的標(biāo)準(zhǔn)A溶液，試樣尺寸按標(biāo)準(zhǔn)要求100 mm（長）×20 mm（寬）×t（壁厚）取，實(shí)際試樣尺寸為100.99 mm×19.66 mm×16.35 mm。A溶液初始pH為2.7，H2S初始濃度為0.264 7%，浸泡96 h。試驗(yàn)結(jié)束后，測定溶液pH為3.5，H2S濃度為0.270 4%。試驗(yàn)結(jié)束后對試樣進(jìn)行宏觀檢查，試樣表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡；對金相剖面進(jìn)行微觀評定，3個平行試樣每個截面剖面宏觀檢查與放大100倍檢查均未發(fā)現(xiàn)氫致裂紋，其裂紋敏感率CSR、裂紋長度率CLR、裂紋厚度率CTR均為0，滿足API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)要求，可見X70QS無縫鋼管具有良好的抗HIC性能。

（2）SSC試驗(yàn)。SSC（四點(diǎn)彎曲）試驗(yàn)依據(jù)ASTM G 39—1999（R2016）《彎曲梁應(yīng)力腐蝕試樣的制備和使用的標(biāo)準(zhǔn)》加工試樣，采用NACE TM 0177—2005標(biāo)準(zhǔn)A溶液，試樣尺寸為115 mm（長）×15 mm（寬）×5 mm（壁厚），試樣取向?yàn)楣荏w縱向，靠近鋼管內(nèi)表面加工，規(guī)定的X70QS無縫鋼管的SMYS最小屈服強(qiáng)度為485 MPa，對試樣施加初始應(yīng)力為72%SMYS，實(shí)際加載率為72.9%，對應(yīng)的加載撓度值為0.78 mm，試驗(yàn)周期720 h。試驗(yàn)溫度為22～25℃，試驗(yàn)開始時溶液的pH值為2.7，結(jié)束時pH值為3.5；試驗(yàn)開始H2S初始濃度為0.264 2%，試驗(yàn)結(jié)束H2S濃度為0.270 1%。宏觀檢查時，試樣表面未有裂紋及開裂；采用低倍顯微鏡在10倍率下對試驗(yàn)受拉的試樣表面進(jìn)行檢查，未出現(xiàn)任何的開裂或裂紋，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為考察同批次鋼管最高強(qiáng)度的抗SSC性能，在施加應(yīng)力90%最高實(shí)際屈服強(qiáng)度（560 MPa），實(shí)際加載率為90.3%，對應(yīng)的加載撓度為1.12 mm，同樣進(jìn)行SSC試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，720 h后試樣未出現(xiàn)裂紋及開裂，說明材料抗腐蝕性能優(yōu)異。

5 結(jié) 語

（1）X70QS無縫鋼管的低C、高M(jìn)n、微合金化材料設(shè)計(jì)符合酸性環(huán)境使用的設(shè)計(jì)要求。

（2）X70QS無縫鋼管的生產(chǎn)工藝滿足技術(shù)要求，產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能、沖擊韌性和抗腐蝕性能，可以批量供貨。

（3）X70QS無縫鋼管的組織為B回+F，細(xì)小的貝氏體均勻地分布在針狀鐵素體表面，形成了穩(wěn)定的金相組織，保證了管材具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。