新日鐵住金雙相不銹鋼管線管DP25U

　　在CO2腐蝕的情況下，通常考慮使用不銹鋼系的管線管，為了降低成本、滿足用戶的需求，管線管用不銹鋼一直在不斷地完善和發(fā)展。管線管用超級13Cr鋼（13CrS）存在氯化物應(yīng)力腐蝕開裂問題，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，施工后通過適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚恚梢詼p小開裂的發(fā)生，縮小開裂的擴(kuò)展路徑，降低開裂發(fā)生的敏感性。另外，新開發(fā)了經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼DP25U，它不需要采用PWHT，是處于現(xiàn)有雙相不銹鋼和超級13Cr鋼之間的鋼種。

　　通過管道從地下輸送到井口的石油和天然氣經(jīng)處理設(shè)備脫除水分和腐蝕性氣體后被輸送到煉油廠。從井口到處理設(shè)備的輸送管被稱作收集管線和輸送管線的管線管，從處理設(shè)備到煉油廠的管線管被稱作干線。用于從海底井口輸送生產(chǎn)流體到海上設(shè)備的管道被稱作立管。管線管對機(jī)械強(qiáng)度、焊接性和耐蝕性都有很高要求，因此對管子采取了鑲襯、涂覆和使用阻化劑等防腐措施。但是，考慮到使用環(huán)境、管線維修等問題，有些地方需要使用耐蝕性高的鋼管作為管線管。

　　在不考慮CO2腐蝕的情況下，雖然擔(dān)心碳素鋼和低合金鋼管線管具有發(fā)生HIC（氫誘導(dǎo)開裂）、SSC（硫化物應(yīng)力腐蝕開裂）和SOHIC（應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂）的敏感性，但它們?nèi)员皇褂谩Ａ硪环矫妫诳紤]CO2腐蝕的情況下，通常使用不銹鋼系的管線管。

　　不銹鋼管線管材料大致分為兩種。一種是由同一材料構(gòu)成的所謂整體管線管；另一種是由內(nèi)外兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)合管線管或襯壁管線管。復(fù)合管線管和襯壁管線管主要使用SUS316L等奧氏體系不銹鋼或625號合金作內(nèi)面，確保耐蝕性，外面則采用碳素鋼。復(fù)合管線管或襯壁管線管的特征是成本比整體鋼的低。另一方面，由于整體鋼是單一材料，因此它能縮短訂貨至交貨的時(shí)間。

　　新日鐵住金公司可以生產(chǎn)出在含有CO2、Cl-和H2S元素的環(huán)境下使用的整體無縫不銹鋼管線管。本文在介紹這種管線管的同時(shí)，分析了近年來不銹鋼管線管在使用時(shí)存在的問題，如超級13Cr鋼（13CrS）存在的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的問題及其使用方面采取的措施，并介紹了最新開發(fā)的在管道敷設(shè)時(shí)無需焊后熱處理的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼DP25U的性能。

1、管線管用不銹鋼系列

　　新日鐵住金公司生產(chǎn)的不銹鋼管線管作為輸送管已應(yīng)用于含有CO2、H2S和Cl-元素的環(huán)境中。

　　從材料等級來看，以往開發(fā)了三種材質(zhì)，加上新開發(fā)的管線管用不銹鋼DP25U，共有四種材質(zhì)。表1示出不銹鋼管線管材質(zhì)的化學(xué)成分。首先，在八十年代DP8（UNS S31803）作為可焊接的不銹鋼鋼管已應(yīng)用于實(shí)際，其后在九十年代開發(fā)了能提高抗海水腐蝕性的超級雙相不銹鋼DP3W（UNS S39274），并應(yīng)用于實(shí)際。

從油井管的使用環(huán)境看，作為抗CO2腐蝕鋼而使用的馬氏體不銹鋼13Cr鋼在微量硫化氫環(huán)境下，由于其抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性存在著問題，因此開發(fā)了超級13Cr鋼，它通過添加Mo來穩(wěn)定氧化膜，提高抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性。尤其是在這種為油井環(huán)境用而開發(fā)的超級13Cr鋼的基礎(chǔ)上，在九十年代開發(fā)了經(jīng)濟(jì)性高的管線管用超級13Cr鋼（13CrS），并應(yīng)用于實(shí)際，它通過降低C來確保焊接性。各鋼種的強(qiáng)度如表2所示，13CrS為80ksi，DP8為65ksi，DP3W為80ksi。

不同的使用環(huán)境選擇不同的材質(zhì)。

2、管線管用超級13Cr鋼的應(yīng)力腐蝕開裂問題及其對策

　　2.1、超級13Cr鋼焊接部高溫環(huán)境應(yīng)力腐蝕開裂

　　由于管線管用超級13Cr鋼的高耐蝕性、優(yōu)良焊接性和低生命周期成本等使其需求量不斷增加，但在2000年前后發(fā)現(xiàn)這種鋼在高溫下焊接熱影響區(qū)（HAZ）存在著應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的問題。這種現(xiàn)象可由以下幾點(diǎn)予以說明。

◆在管線管周圍焊接部的HAZ會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

◆發(fā)生的開裂是一種使原始奧氏體晶界擴(kuò)展的晶界型應(yīng)力腐蝕開裂（IGSCC）。這種開裂不會貫穿作為焊接金屬而使用的雙相不銹鋼。

◆采用機(jī)械方式清除焊接時(shí)形成的表面氧化皮和采用焊后熱處理（PWHT）方法可以有效降低開裂敏感性。

◆在實(shí)際環(huán)境下發(fā)生開裂的材料是低等級的13Cr鋼（無添加Mo），根據(jù)其后的實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)試驗(yàn)可知，即使是添加Mo的13Cr鋼，在采用Cu作墊板的氣體保護(hù)金屬極電弧焊（GMAW）時(shí)，也具有IGSCC敏感性，如表3所示。

在2000年代后期，業(yè)界對這種應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和對策進(jìn)行了詳細(xì)研究。

　　2.2、應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理及其對策

　　開裂以管子內(nèi)面HAZ形成的高溫氧化皮下面生成的晶界Cr缺乏區(qū)為起源。可以認(rèn)為這種Cr缺乏會使Cr的選擇氧化和晶界中Cr的擴(kuò)散重疊。雖然焊接施工時(shí)會形成氧化皮，但Cr會被氧化皮包裹，并在表面形成脫Cr層。尤其是，在原始奧氏體晶界中，由于Cr的擴(kuò)散快，因此它容易成為開裂的起源。另一方面，當(dāng)實(shí)施PWHT時(shí)，利用Cr的擴(kuò)散，可以對表面晶界附近形成的Cr缺乏層進(jìn)行彌補(bǔ)，消除Cr缺乏區(qū)域。由此可知，PWHT可以消滅開裂的產(chǎn)生源。在采用機(jī)械方式清除焊接表層部氧化皮的4點(diǎn)彎曲應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)中沒有觀察到IGSCC。

　　接下來研究了開裂擴(kuò)展路徑，對高溫HAZ區(qū)的兩種現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。主要是研究了有無添加Ti的情況。

　　首先，可以推測在沒有添加Ti的超級13Cr鋼中，焊接時(shí)在原始奧氏體晶界中會形成Cr缺乏區(qū)。該Cr缺乏區(qū)受到高溫?zé)嵫h(huán)后，固溶的C在后續(xù)的焊接熱循環(huán)中會以碳化物的形式在原始奧氏體晶界中析出，并在晶界的析出物附近形成Cr缺乏區(qū)，從而使IGSCC敏感性增大。有研究指出，減少材料中的C量和添加Ti，可以降低IGSCC敏感性。

　　另一方面，添加Ti的超級13Cr鋼，雖然沒有發(fā)現(xiàn)碳化物的析出，但與沒有添加Ti的超級13Cr鋼相比，由于開裂的形態(tài)不同，因此認(rèn)為焊接后晶界偏析的游離P會降低IGSCC敏感性。即，PWHT可以促進(jìn)Mo向原始奧氏體晶界的擴(kuò)散，形成P含量高的萊維氏相或其他Mo富集相。增加原始晶界中的Mo，可以提高耐蝕性，但游離的P會被萊維氏相包裹。由此恢復(fù)耐蝕性，以下兩點(diǎn)可以作為支撐依據(jù)。

◆觀察透射式電子顯微鏡（TEM）的結(jié)果可知，在焊接狀態(tài)下沒有看到的Mo富集，經(jīng)PWHT后，在原始奧氏體晶界中能觀察到Mo的富集。

◆在長時(shí)間PWHT后，在晶界中能觀察到P富集的萊維氏相。

　　根據(jù)以上結(jié)果可知，施工后采取適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚恚≒WHT），可以減小開裂的發(fā)生，縮小開裂的擴(kuò)展路徑，同時(shí)降低開裂發(fā)生的敏感性。

3、新型雙相不銹鋼DP25U的開發(fā)

　　3.1、開發(fā)目的和材料成分設(shè)計(jì)

　　在超級13Cr管線管鋼中為防止焊接部發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，采用PWHT是有效的辦法，其應(yīng)用范圍正不斷擴(kuò)大。另一方面，PWHT會降低敷設(shè)時(shí)的施工效率，影響成本，因此還有的用戶提出不使用PWHT的想法。雖然雙相不銹鋼可以不采用PWHT，但初期成本高是問題之一。

　　為此，進(jìn)行了新型雙相不銹鋼DP25U的開發(fā)，它的定位是可以不使用PWHT，是處于現(xiàn)有雙相不銹鋼和超級13Cr鋼之間的鋼種。

　　在成分設(shè)計(jì)方面，首先，為了能夠不使用PWHT，DP25U的Cr添加量比超級13Cr鋼的高，以此穩(wěn)定鈍態(tài)氧化膜。其次，在現(xiàn)有雙相不銹鋼DP8和DP3W中，為能確保即使在H2S環(huán)境下也具有良好的耐蝕性，將Mo的含量提高到3mass%以上，據(jù)此將DP25U的應(yīng)用環(huán)境限定在微量H2S，降低Mo含量，由此達(dá)到降低合金成本的目的。通過添加Cu取代Mo，能夠確保在H2S環(huán)境中也具有耐蝕性。根據(jù)這些成分設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究，確定DP25U的主要成分為25Cr-5Ni-1Mo-2.5Cu-0.18N。

　　3.2、DP25U的性能及應(yīng)用

　　生產(chǎn)DP25U的方法是在制管工藝后進(jìn)行固溶熱處理。DP25U在固溶狀態(tài)下強(qiáng)度超過65ksi，因此它可作為65ksi級強(qiáng)度的鋼。另外，即使在低溫下，也具有很高的沖擊能，是具有良好韌性的鋼種。關(guān)于焊接接頭的耐蝕性，在表4所示的條件下對焊接接頭進(jìn)行了調(diào)查，并與超級13Cr鋼進(jìn)行對比、評價(jià)。

首先，表5示出高溫下應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的評價(jià)結(jié)果。在高Cl-環(huán)境下，對應(yīng)力腐蝕開裂敏感性進(jìn)行了4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。結(jié)果表明，在以Cu為墊板的GMAW條件下，即使不采用PWHT，DP25U也具有高溫下的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能。

其次，關(guān)于H2S環(huán)境中的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的評價(jià)，其試驗(yàn)條件示于表6。在雙相不銹鋼硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性最高的90℃環(huán)境下選擇試驗(yàn)溫度。試驗(yàn)條件選擇具有代表性的氣體條件和石油條件。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是在輸送氣體條件下，還是在輸送石油條件下，即使是在超級13Cr鋼焊接接頭部難以使用的環(huán)境條件下，DP25U焊接接頭部也沒有看到硫化物應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。由此表明，即使是從抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能方面來看，DP25U的耐蝕性也比超級13Cr鋼的好。

4、結(jié)語

　　首先，對在含有CO2、Cl-和H2S元素的環(huán)境下使用的整體不銹鋼管線管的性能和特征進(jìn)行了歸納。其次，對不銹鋼管線管存在問題的超級13Cr鋼的高溫氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理及其對策進(jìn)行了介紹。這種應(yīng)力腐蝕開裂是焊接后管內(nèi)面高溫HAZ中晶界應(yīng)力腐蝕開裂，根據(jù)應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理分析，這種應(yīng)力腐蝕開裂通過采取適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚硎强梢员苊獾摹Ｗ詈螅瑢ψ鳛闊o需焊后熱處理的整體不銹鋼管線管DP25U新材料的開發(fā)思路、成分設(shè)計(jì)、力學(xué)性能和焊接部的耐蝕性能進(jìn)行了歸納利用上述不銹鋼管線管產(chǎn)品和應(yīng)用技術(shù)，可以將產(chǎn)品應(yīng)用范圍擴(kuò)大，并滿足用戶對管線管敷設(shè)性能和成本優(yōu)化的期望。

作為值得信賴的合作伙伴和高品質(zhì)金屬合金的半成品供應(yīng)商，通項(xiàng)公司擁有完善的服務(wù)體系和專業(yè)的團(tuán)隊(duì)。在同客戶交易的過程中，我們力求根據(jù)不同的應(yīng)用需求將我們的產(chǎn)品做到精益求精。針對當(dāng)前和未來的市場需求，通項(xiàng)公司致力于為客戶提供最佳的金屬材料解決方案。

TXCO  has  been  a  reliable  partner  and  supplier  of  sophisticated  and  high-quality  semi-finished  products  maed  of  alloys.  In dialogue  with  our  customers,  we  optimise  our  products  to  meet  the  specific  application  requirements.  TXCO  develops  the  best  alloy  material  solutions  for  current  and  future  challenges.

獲取更多我們供應(yīng)的產(chǎn)品和服務(wù)信息，請致電086-021-6786 0205或發(fā)電子郵件service@sinoav.com聯(lián)系我們，您也可以通過微信，微博，領(lǐng)英，臉書，推特和谷歌+與我們互動(dòng)。

For  more  information  on  the  products  and  services  that  we  supply,  call  us  at  086-021-6786 0205  or  email  us  at   service@sinoav.com.  You  can  also  get  in  touch  on  social  media,  we  are  constantly  active  on  Weixin,  Weibo,  LinkedIn,  Facebook,  Twitter  and  Google+.