CN103397253A - 一种耐硫化氢腐蚀的高强度x70ms直缝埋弧焊管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于含硫化氢酸性环境下服役的高强度X70MS钢级耐腐蚀直缝埋弧焊管及其制造方法，包括如下步骤:钢板铣边、板边预弯、钢管JC0成型、预焊、内焊、外焊、去应力扩径，水压试验、倒棱、坡口加工、X射线检查、超声波检查、磁粉检查、在线喷标和成品检查。本发明有益效果如下:利用本发明所述的方法制造出的高强度X70MS钢级直缝埋弧焊管除力学性能满足APISPEC5L和GB/T9711标准外，具有较好的耐H₂S腐蚀性能，适合油田集输管线或输送酸性油气介质使用。

Description

一种耐硫化氢腐蚀的高强度X70MS直缝埋弧焊管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种焊管及其制造方法，尤其是一种耐硫化氢腐蚀的高强度X70MS钢级直缝埋弧焊管及其制造方法。

背景技术

H₂S是石油和天然气中最具有腐蚀作用的有害介质之一，严重地影响着油气输送管线的使用寿命，其中氢致开裂(HIC)和硫化物应力开裂(SSCC)是H₂S酸性腐蚀的主要形式，制约着油气输送管道的安全服役。

HIC产生的原因一般认为是，硫化氢溶于水形成的酸性溶液与管壁金属通过电化学反应使钢内吸收氢，氢原子在钢内夹杂物或其它微观组织结构等不连续区域聚集并形成分子氢，产生很高压力，形成阶梯型裂纹和(或)氢鼓泡，使管壁或零构件的有效厚度减薄，当其受到外应力作用时，易于破坏或失效。SSCC开裂是外加应力、残余应力和氢压力共同作用引起的氢聚集区开裂，开裂方向垂直于管面并有迟延的特征。

国外很多管道直接输送酸性油气，因此对耐酸管的需求量较大。我国大部分油气田中含有的硫化氢浓度含量较高，部分集输管线属于酸性腐蚀环境，使用的钢管主要是低强度X52钢级的耐酸管，由于强度低，无法承受高压大流量输送。但高钢级耐酸管，强度、硬度比较高，极易发生HIC和SSCC，因此开发腐蚀环境用高强度X70耐酸性钢管势在必行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供管体高强度、耐酸性能好的X70MS钢级耐硫化氢腐蚀直缝埋弧焊管及其制造方法。

一种耐酸性X70MS钢级耐硫化氢腐蚀直缝埋弧焊管，其母材采用X70MS钢级钢板，其化学成分为C：0.03～0.04wt％，Si：0.25～0.35wt％，Mn：≤1.20wt％，P：≤0.008wt％，S：≤0.001wt％，Cu：0.10～0.20wt％，Ni：0.10～0.20wt％，Cr：≤0.15wt％，Nb：0.05～0.10wt％，V：≤0.06wt％，Ti：0.15～0.20wt％，Mo：0.01～0.02wt％，Al：0.04～0.10wt％，B≤0.0005wt％，Ca≤0.002wt％，其余为铁和不可避免的杂质，金相显微组织为针状铁素体+少量珠光体，组织均匀，晶粒度12.5级，带状组织控制在0.5级以下的高纯净控轧钢板。

开发出一种高强度X70MS钢级耐硫化氢腐蚀直缝埋弧焊管制造技术方案，包括以下步骤：

1)钢板铣边：根据钢管设计的直径和厚度选取钢板，铣边后外焊坡口角度70°～110°、下坡口角度60°～90°，钝边高度6～9mm；，以获得精确的钢板宽度和坡口形状；

2)钢板预弯；进料台架将钢板传输到弯边工位，通过上下模的挤压使钢板变形达到成型工艺设计弧度要求；

3)钢板JCO成型；对不同壁厚，管径为

的钢管，根据现场弹复量试验分析，先将钢板一边用成型机折弯，使钢板变为“J”形，再将其另外一边对称折弯，钢板截面变成“C”形，最后将钢板从钢板中部压成“O”形，冲压次数19次，单次冲压量为3～1mm；确保钢管成型后具有良好的圆度和低的残余应力。

4)预焊：预焊采用MAG焊接方法，对管坯进行连续焊接完成合缝工序；

5)内焊：采用三丝埋弧自动焊在钢管内侧坡口进行焊接，内焊的一号焊丝采用直流反接，以保证有足够的熔深。第二、第三丝采用交流，以保证焊缝的填充及焊道美观。焊接工艺：第一号焊丝电流900±80A，电压33±1V；第二号焊丝电流750±50A，电压35±1V；第三号焊丝电流650±30A，电压37±1V；焊接速度为1.7～1.8m/min；

6)外焊：采用三丝埋弧自动焊在钢管外侧坡口进行焊接，外焊工序的工艺为：采用三丝埋弧自动焊在钢管内侧坡口进行焊接，外焊接的一号焊丝采用直流反接，以保证有足够的熔深。第二、第三丝采用交流，以保证焊缝的填充及焊道美观。第一号焊丝电流1150±200A，电压33±1V；第二号焊丝电流900±150A，电压36±1V；第三号焊丝电流600±100A，电压39±1V；焊接速度为1.7～1.8m/min；

7)焊丝采用低C、低Mn高韧性耐硫化氢腐蚀焊丝，其主要化学成分为C：≤0.08wt％，Si：≤0.25wt％，Mn：≤1.45wt％，P：≤0.010wt％，S：≤0.003wt％，Mo：≤0.3wt％，Ti：0.03～0.08wt％，B：0.004～0.008wt％；

8)焊剂采用高碱度、耐硫化氢腐蚀焊剂，其主要化学成分为CaF₂：14～18wt％，CaO+MgO：26～30wt％，Al₂O₃+MnO：≤25wt％，SiO₂：≤20wt％，S：≤0.010wt％，P：≤0.020wt％；

9)第一次X射线检查和超声波检查：对焊缝及热影响区进行检测；

10)机械扩径：成型、焊接后钢管进行全长扩径，扩径率为0.6～1.4％；

11)水压试验：对扩径后的钢管进行水压试验；

12)管端坡口加工：按照要求尺寸在钢管两端加工坡口；

13)第二次X射线检查和超声波检查：对焊缝及热影响区进行检测；

14)外观尺寸检查：根据要求对钢管外观尺寸进行测量；

本发明的耐酸性X70MS钢级直缝焊管采用超低C、低Mn成分设计，采用高纯净冶炼技术和夹杂物变性处理技术，严格控制P、S杂质元素含量，其中对S杂质含量控制到0.001wt％以下，从而大大降低MnS等夹杂物含量，使得板材组织均匀，纯净度高，带状偏析少。添加一定量的Cr、Ni和Cu，以降低材料中元素偏析、带状组织等内部缺陷，减少氢原子聚集形核质点，提高板材的抗H₂S腐蚀能力，添加一定量Nb元素确保板材具有高的强韧性。

优选的铣边工序是保证板卷在焊接过程中能够焊透，并提高焊接速度，改善焊缝形貌，减小焊接线能量，降低焊接残余应力和焊接热输入对焊缝组织和性能的影响，提高焊缝性能。

钢板预弯：钢板在辊道上对中后，进料台架将钢板传输到弯边工位，预弯后钢板直边宽度小于板厚，通过上下模的挤压使钢板变形达到成型工艺设计弧度要求。

JCO低应力控制：为了减少JCO成型应力，并使JCO成型应力在管体周向更加分散，压制过程采用多次密集压制工艺，减少步长，减少压下量。首先根据成型钢管设计尺寸调整成型机模具，先将钢板一边用成型机折弯，使钢板变为“J”形，再将其另外一边对称折弯，钢板截面变成“C”形，最后将钢板从钢板中部压成“O”形。其中，冲压19次，成型机步长110.5mm～115.5mm。压第一根头两步用较小压下量，冲压量为3～1mm，成型曲率不够时再逐渐增加压下量将钢管压至理想曲率，从而有效控制周向残余应力。

优选的内外焊工艺是确保焊缝的强度和韧性满足要求。焊接参数的选择，充分考虑三丝焊中各丝的作用，调节各丝的电流、电压、伸长率、角度和丝间距，确保焊缝的熔深和良好的焊缝形貌，在合理的范围内尽量选择低的热输入，确保焊缝具有良好韧性。

采用新研发的耐硫化氢腐蚀焊丝，为低C、低Mn高韧性耐硫化氢腐蚀焊丝，形成焊缝后，过渡到焊缝中的C、Mn、P、S含量低。普通的X70管线钢焊丝主要通过C、Mn等含量提高焊缝的强韧性，P、S杂质含量高，焊接过程中这些元素易于过渡到焊缝中引起HIC和SSCC。而低C、低Mn耐硫化氢腐蚀焊丝通过添加Mo、Ti、B来弥补焊缝强度，同时又提高耐蚀性。Mo是最有效的耐H₂S腐蚀元素，可和S一起弥散析出，Mo₂C也是S的陷阱。Ti、B的联合作用促进焊缝中细小针状铁素体的形成，确保焊缝具有耐硫化氢腐蚀能力和强韧性。

采用新研发的高碱度耐硫化氢腐蚀焊剂。焊剂中加入一定的CaF₂，降低了电弧气氛中的氢分压，增加CaO、MgO等碱性氧化物含量，有利于熔渣从熔池中浮出，减少氢等气孔聚集，Al₂O₃提高电弧的集中程度，有利于多丝焊中后丝更好将凝固的渣壳再次熔化，提高焊缝表面成型质量及降低残余应力。普通X70管线钢焊剂选用的是普通原料，P、S杂质元素多，而耐硫化氢腐蚀焊剂选用都是高纯净度原料，焊剂中的P、S含量等杂质都比较低，所以焊接过程中过渡到焊缝中的P、S含量低，也减少了氢的聚集点，增强了焊缝的耐HIC和SSCC能力。对原料经过配比后进行焊接，开发出的焊剂脱渣性、稳弧性、成型性及脱气性等都很优良。

焊缝低硬度控制：为提高耐硫化氢腐蚀高强度X70MS直缝埋弧焊管管材的HIC和SSCC能力，在焊接过程中需对焊缝进行低硬度控制，耐硫化氢腐蚀焊材中都尽可能降低Mn、Si及合金等含量，避免这些元素在焊接过程中过多过渡到焊缝中，引起焊缝硬度升高。根据板厚，调节焊接过程中各丝的电流、电压、伸长率、角度和丝间距，将t8/5控制在18～25s范围内，达到影响焊缝熔池的形态和冷却速度，即可形成比较低的焊缝硬度组织，又确保一定的强度。

扩径工艺：根据成型后钢管的尺寸和形状，确定最佳的扩径工艺，释放母材和焊缝中应力，减小应力集中，预防SSCC发生，并确保钢管扩径后尺寸、形状和性能满足要求。

水压试验：进行水压试验，检验钢管的强度及严密性，进一步释放应力。

具体实施方案

实施例1：Φ813×14.2mmX70MS钢级耐硫化氢腐蚀直缝埋弧焊管制造

1)原料

采用壁厚为14.2mm的X70MS钢板，其化学成分分析如下表(wt％)：

表1X70MS化学成分分析(wt％)

2)钢板铣边和预弯：铣边后上坡口角度80°、下坡口角度75°，钝边高度7mm；

3)对铣边后的钢板在辊道上对中后，通过上下模的挤压使钢板变形达到成型工艺设计弧度要求；

4)钢板JCO成型；采用逐步的压制方法，成型曲率R389.3mm，先将钢板的一半经9次压制成“J”型，采用同一种方法进行另一半经9次压制，成“C”型，成型机步长114.8mm，最后在钢板的中间压制成“O”型。整个压制道数19道，每次压下量3～1mm；较小的步长，较多的压制次数降低残余应力；

5)预焊：预焊采用MAG焊接方法，对管坯进行连续焊接完成合缝工序；

6)内焊：采用三丝埋弧自动焊在钢管内侧坡口进行焊接。焊接工艺：第一号焊丝电流850A，电压33V；第二号焊丝电流750A，电压35V；第三号焊丝电流650A，电压37V；焊接速度为1.75m/min；焊接材料采用研发的高韧性焊丝和焊剂；

7)外焊：采用三丝埋弧自动焊在钢管外侧坡口进行焊接。焊接工艺：第一号焊丝电流980A，电压34V；第二号焊丝电流750A，电压37V；第三号焊丝电流550A，电压40V；焊接速度为1.75m/min；焊接材料采用研发的高韧性焊丝和焊剂；

8)机械扩径：成型、焊接后钢管进行全长0.8％扩径，确保管子的形状，改善钢管的应力分布；

9)水压试验：对扩径后的钢管进行静水压试验，试验压力为16.9Mpa，保压时间大于15s；

10)管端坡口加工：对管端进行加工，坡口角度为22°～25°，钝边为1.6±0.8mm；

11)超声波检验：对焊缝及热影响区进行第二次100％超声波检测，用于检测扩径、水压产生的缺陷；

12)X射线检查：对钢管内外焊缝进行100％的工业电视检查和管端拍片，用于检测扩径、水压产生的缺陷；

13)外观尺寸检查：根据要求对钢管外观尺寸进行测量；

钢管理化及耐蚀性能如下：

1)横向拉伸性能

表2X70MSΦ813×14.2mm横向拉伸试验结果

2)夏比冲击韧性、DWTT及弯曲试验结果

表3X70MSΦ813×14.2mm冲击、DWTT及弯曲试验结果

3)焊接接头维氏硬度

表4X70MSΦ813×14.2mm母材、焊缝和热影响区维氏硬度(HV₁₀)

4)耐蚀性能试验

表5X70MSΦ813×14.2mm耐酸管HIC敏感参数测试结果

表6X70MS14.2mm焊缝试样SSCC测试结果

实施例2：Φ813×17.5mm X70MS钢级耐硫化氢腐蚀直缝埋弧焊管制造

1)原料

采用壁厚为17.5mm的X70MS钢板，其化学成分分析如下表(wt％)：

表7：X70MS化学成分分析(wt％)

2)钢板铣边和预弯：铣边后上坡口角度100°、下坡口角度80°，钝边高度8mm；

3)对铣边后的钢板在辊道上对中后，通过上下模的挤压使钢板变形达到成型工艺设计弧度要求；

4)钢板JCO成型：采用逐步的压制方法，成型曲率R386.2mm，先将钢板的一半经9次压制成“J”型，采用同一种方法进行另一半经9次压制，成“C”型，成型机步长114.2mm，最后在钢板的中间压制成“O”型。整个压制道数19道，每次压下量3～1mm。较小的步长，较多的压制次数降低残余应力；

5)预焊：预焊采用MAG焊接方法，对管坯进行连续焊接完成合缝工序；

6)内焊：采用三丝埋弧自动焊在钢管内侧坡口进行焊接。焊接工艺：第一号焊丝电流960A，电压33.5V；第二号焊丝电流750A，电压35.5V；第三号焊丝电流650A，电压37V；焊接速度为1.7m/min；焊接材料采用研发的高韧性焊丝和焊剂；

7)外焊：采用三丝埋弧自动焊在钢管外侧坡口进行焊接。焊接工艺：第一号焊丝电流1100A，电压34V；第二号焊丝电流850A，电压37V；第三号焊丝电流700A，电压40V；焊接速速为1.7m/min；焊接材料采用研发的高韧性焊丝和焊剂；

8)机械扩径：成型、焊接后钢管进行全长0.9％扩径，确保管子的形状，改善钢管的应力分布；

9)水压试验：对扩径后的钢管进行静水压试验，试验压力为20.9Mpa，保压时间大于15s；

10)管端坡口加工：对管端进行加工，坡口角度为22°～25°，钝边为1.6±0.8mm；

11)超声波检验：对焊缝及热影响区进行第二次100％超声波检测，用于检测扩径、水压产生的缺陷；

12)X射线检查：对钢管内外焊缝进行100％的工业电视检查和管端拍片，用于检测扩径、水压产生的缺陷；

13)外观尺寸检查：根据要求对钢管外观尺寸进行测量；

钢管理化及耐蚀性能如下：

1)横向拉伸性能

表8X70MSΦ813×17.5mm横向拉伸试验结果

2)夏比冲击韧性、DWTT及弯曲试验结果

表9X70MSΦ813×17.5mm冲击、DWTT及弯曲试验结果

3)焊接接头维氏硬度

表10X70MSΦ813×17.5mm母材、焊缝和热影响区维氏硬度(HV₁₀)

4)耐蚀性能试验

表11X70MSΦ813×17.5mm耐酸管HIC敏感参数测试结果

表12X70MS17.5mm焊缝试样SSCC测试结果

由此可见，本直缝焊管实物的主要性能检测结果和耐硫化氢X70MS钢级直缝焊管的主要性能要求对比，利用本发明的技术制造的耐酸性直缝焊管，达到了耐硫化氢腐蚀的高强度X70MS直缝埋弧焊管的技术要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种耐硫化氢腐蚀的高强度X70MS直缝埋弧焊管，其特征在于：所述焊管的化学成分为C：0.03～0.04wt％，Si：0.25～0.35wt％，Mn：≤1.20wt％，P：≤0.008wt％，S：≤0.001wt％，Cu：0.10～0.20wt％，Ni：0.10～0.20wt％，Cr：≤0.15wt％，Nb：0.05～0.10wt％，V：≤0.06wt％，Ti：0.15～0.20wt％，Mo：0.01～0.02wt％，Al：0.04～0.10wt％，B≤0.0005wt％，Ca≤0.002wt％，其余为铁和不可避免的杂质。

2.一种耐硫化氢腐蚀的高强度X70MS直缝埋弧焊管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：钢板铣边、板边预弯、钢管JCO成型、预焊、内焊、外焊、去应力扩径，水压试验、倒棱、坡口加工、X射线检查、超声波检查、磁粉检查、在线喷标和成品检查。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述钢板的化学成分为C：0.03～0.04wt％，Si：0.25～0.35wt％，Mn：≤1.20wt％，P：≤0.008wt％，S：≤0.001wt％，Cu：0.10～0.20wt％，Ni：0.10～0.20wt％，Cr：≤0.15wt％，Nb：0.05～0.10wt％，V：≤0.06wt％，Ti：0.15～0.20wt％，Mo：0.01～0.02wt％，A1：0.04～0.10wt％，B≤0.0005wt％，Ca≤0.002wt％，其余为铁和不可避免的杂质；所述钢板是带状组织控制在0.5级以下的高纯净控轧钢板，其金相显微组织为针状铁素体+少量珠光体，组织均匀，晶粒度12.5级。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述钢板铣边的工艺为双铣边工艺，先粗铣I型坡口，然后精铣X型坡口，精铣边后上坡口角度70°～110°、下坡口角度60°～90°，钝边高6～9mm。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述内焊和外焊都采用低C、低Mn高韧性耐硫化氢腐蚀焊丝，其化学成分为包括C：≤0.08wt％，Si：≤0.25wt％，Mn：≤1.45wt％，P：≤0.010wt％，S；≤0.003wt％，Mo：≤0.3wt％，Ti：0.03～0.08wt％，B：0.004～0.008wt％。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述内焊和外焊都采用高碱度、耐硫化氢腐蚀的烧结焊剂，其化学组分包括CaF₂：14～18wt％，CaO+MgO：26～30wt％，A1₂0₃+MnO：≤25wt％，Si0₂：≤20wt％，S：≤0.010wt％，P；≤0.020wt％。

7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述内焊的工艺为：采用三丝埋弧自动焊在钢管内侧坡口进行焊接，内焊的第一号焊丝采用直流反接，第二号焊丝、第三号焊丝采用交流；焊接工艺为：第一号焊丝电流900±80A，电压33±1V；第二号焊丝电流750±50A，电压35±1V；第三号焊丝电流650±30A，电压37±1V；焊接速度为1.7～1.8m/min。

8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述外焊的工艺为：采用三丝埋弧自动焊在钢管外侧坡口进行焊接，外焊的第一号焊丝采用直流反接，第二号焊丝、第三号焊丝采用交流；焊接工艺为：第一号焊丝电流1150±200A，电压33±1V；第二号焊丝电流900±150A，电压36±1V；第三号焊丝电流600±100A，电压39±1V；焊接速度为1.7～1.8m/min。