浙江至德鋼業(yè)有限公司依據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)APISpec5L《管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)、冶煉軋制工藝優(yōu)化、熱處理制度篩選等手段，研制了力學(xué)性能及抗硫化氫腐蝕性能優(yōu)良的不銹鋼無(wú)縫管。研究發(fā)現(xiàn)，該管線管熱軋態(tài)組織晶粒細(xì)小均勻，珠光體片層間距較小，性能滿足X52鋼級(jí)管線管要求，經(jīng)過(guò)900℃淬火+600℃回火的調(diào)質(zhì)工藝后，其綜合力學(xué)性能最優(yōu)，可用于X65鋼級(jí)管線管使用。

 近年來(lái)，隨著石油和天然氣產(chǎn)品的不斷開(kāi)采，抗酸性管線管越來(lái)越受到油田企業(yè)的認(rèn)可和歡迎。主要是因?yàn)樵谟蜌馓飪?nèi)往往含有大量的硫化氫氣體，其對(duì)管線管腐蝕極其嚴(yán)重，而抗酸性不銹鋼無(wú)縫管的研制與使用有效地抑制和延緩了腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生，大大延長(zhǎng)了管線管的使用壽命，避免了由于管線破裂造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害。硫化氫腐蝕主要分為氫致開(kāi)裂HIC和硫化物應(yīng)力腐蝕SSC兩種失效形式。管線鋼在富含硫化氫的油、氣環(huán)境中受腐蝕產(chǎn)生的氫進(jìn)入鋼內(nèi)生成裂紋稱為氫致開(kāi)裂(HIC)。HIC產(chǎn)生的機(jī)理，一般認(rèn)為是硫化氫溶于水形成的溶液與管壁金屬通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子通過(guò)金屬表面，深入管體內(nèi)部，在金屬內(nèi)部缺陷處聚集結(jié)合成氫分子，氫分子體積增大20倍產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力所致。當(dāng)氫濃度很高時(shí)，顯微缺陷處的氫壓力可以超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，因而形成氫致裂紋，當(dāng)管材存在較大的殘余拉應(yīng)力時(shí)，將會(huì)加劇HIC的形成。而當(dāng)金屬的延遲脆性斷裂是由硫化物溶液中的腐蝕和拉伸應(yīng)力共同作用造成且失效可發(fā)生在應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度的時(shí)候，這種現(xiàn)象被稱謂SSC。由此可見(jiàn),由硫化氫腐蝕引起的材料失效危害巨大，因此研制與開(kāi)發(fā)在油氣田中廣泛使用的X52、X65級(jí)別的抗硫化氫腐蝕不銹鋼無(wú)縫管線管意義重大。

一、試驗(yàn)方法及成分

 抗酸性管線鋼由于應(yīng)用環(huán)境惡劣，服役時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)鋼的純凈度、硫和磷含量、晶粒度大小、組織均勻性等要求較高，開(kāi)發(fā)成本低廉且性能優(yōu)良的抗酸性管線管具有一定的技術(shù)難度。因此在成分設(shè)計(jì)方面采用了加入鈮等合金元素，并嚴(yán)格控制硫和磷含量，同時(shí)采用優(yōu)化的冶煉、軋制、熱處理等工藝，以期獲得優(yōu)良的力學(xué)性能及抗酸性腐蝕性能。

 1. 成分設(shè)計(jì)

 合理的成分設(shè)計(jì)是獲得優(yōu)良性能的首要條件。根據(jù)APISpec5L標(biāo)準(zhǔn)要求，本文優(yōu)化了合金成分，主要加入了合金元素鈮，鈮在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，鈮原子比鐵原子尺寸大，易在位錯(cuò)線上偏聚，對(duì)位錯(cuò)攀移產(chǎn)生強(qiáng)烈的拖曳作用，使再結(jié)晶形核受到抑制，因而對(duì)再結(jié)晶具有強(qiáng)烈的阻止作用，而由此易獲得均勻細(xì)小的晶粒組織，從而有效地提高鋼的強(qiáng)度與耐腐蝕性能。

 2. 工藝路線

 在冶煉過(guò)程中要提高鋼水的潔凈度，并通過(guò)降低硫含量來(lái)降低鋼中MnS等非金屬夾雜物的含量并控制其形態(tài)。同時(shí)也要降低易偏析元素錳和磷的含量，避免帶狀組織形成，生產(chǎn)的細(xì)小晶粒組織對(duì)提高鋼的抗硫化氫腐蝕性能有著顯著的效果。生產(chǎn)主要是通過(guò)轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉（LF）、連鑄等過(guò)程，以獲得良好的冶金質(zhì)量，合理的化學(xué)成分以及優(yōu)化的夾雜物形態(tài)。之后再經(jīng)過(guò)連軋得到的管坯經(jīng)過(guò)環(huán)形爐加熱→穿孔→連軋→脫管→定徑→冷卻→矯直→探傷→包裝入庫(kù)等工藝流程。在整個(gè)過(guò)程中對(duì)加熱溫度、軋制節(jié)奏、變形量、出脫管溫度等關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

 由于目前采用控軋控冷的方式生產(chǎn)此類抗酸性管線管所獲得組織及性能并不穩(wěn)定，同時(shí)也為了獲得具有較好抗腐蝕性能的均勻彌散高溫回火組織，本文對(duì)鋼管采用了外淋內(nèi)噴壓輥旋轉(zhuǎn)的淬火+回火調(diào)質(zhì)制度。首先是對(duì)鋼種A3點(diǎn)的測(cè)定和研究，并由此選定合適的熱處理參數(shù)，制定合理的現(xiàn)場(chǎng)工藝以獲得性能穩(wěn)定的管線管產(chǎn)品。通過(guò)軟件Thermo-calc計(jì)算得到A3點(diǎn)為834℃，淬火溫度設(shè)定為880℃、900℃（40分鐘），回火溫度600℃、650℃（60分鐘）。

二、試驗(yàn)結(jié)果

 1. 力學(xué)性能

 至德鋼業(yè)對(duì)不銹鋼無(wú)縫管進(jìn)行了拉伸性能、沖擊性能、硬度等檢查，其力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表，硬度均滿足API5L抗酸性管線管標(biāo)準(zhǔn)小于250HV10的要求。從表中可以看到，熱軋態(tài)0#試樣性能完全滿足X52鋼級(jí)級(jí)別要求，且性能優(yōu)良，特別是沖擊性能極其優(yōu)異。之后對(duì)其采取的四種熱處理方式，隨著淬火溫度的升高，屈服強(qiáng)度提高，而當(dāng)回火溫度提高時(shí)，沖擊性能提高，但屈服強(qiáng)度下降。2#鋼管屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)的下限值，1#、3#、4#均滿足API5LX65性能要求，但3#的綜合性能最優(yōu)。

 2. 金相組織分析

 至德鋼業(yè)對(duì)不銹鋼無(wú)縫管進(jìn)行金相組織觀察，見(jiàn)圖。從圖可見(jiàn)熱軋態(tài)0#鋼管組織為珠光體+鐵素體，晶粒細(xì)小均勻，晶粒度可達(dá)9級(jí)。1#、2#、3#、4#鋼管經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理后其組織為回火索氏體。

 3. 腐蝕試驗(yàn)

 分別對(duì)0#鋼管（X52）和3#鋼管（X65）進(jìn)行了抗HIC、SSC腐蝕試驗(yàn)。

 抗HIC腐蝕試驗(yàn)按照NACETM0284-2003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，每組3件樣品，采用100×20mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在標(biāo)準(zhǔn)A溶液中浸泡96小時(shí)試驗(yàn)后，在100倍顯微鏡下剖面金相觀察無(wú)裂紋，CLR(%)、CTR(%)、CSR(%)均為0。

 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)（SSC）按照NACETM0177-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，每組三件樣品，采用尺寸為115mm×15mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，檢測(cè)設(shè)備為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置，加載力為72%SMYS，試樣在硫化氫飽和溶液（A溶液）中浸泡720小時(shí)，結(jié)果試樣經(jīng)浸泡后未斷裂，放大100倍觀察工作段無(wú)裂紋。

三、分析與討論

 采用SUPRA55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)熱軋態(tài)0#鋼管進(jìn)行了高倍顯微組織觀察，顯微組織為珠光體+鐵素體，通過(guò)掃描電鏡觀察及測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其晶粒細(xì)小，珠光體片層間距較小,平均0.2μm，隨著珠光體片層間距的增加，其對(duì)裂紋擴(kuò)展的綜合阻力逐漸降低，裂紋擴(kuò)展速率逐漸增加。因此，較小的珠光體片層間距可以有效地阻礙裂紋擴(kuò)展，提高鋼的強(qiáng)度，也可對(duì)氫致裂紋擴(kuò)展起到一定的阻礙作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)珠光體片層呈短片狀，為輕微退化珠光體。這是因?yàn)殡S著鐵素體晶粒的細(xì)化，鐵素體相變后剩余的富碳奧氏體區(qū)愈來(lái)愈小，在冷卻時(shí)沒(méi)有足夠的空間形成片層狀的珠光體。另外，形成片層狀的珠光體需要鐵素體與滲碳體的協(xié)同生長(zhǎng)．而影響其協(xié)同生長(zhǎng)的因素有相變溫度、奧氏體晶粒直徑、變形量等。如前所述，當(dāng)鐵素體晶粒很細(xì)小時(shí)，剩余的富碳奧氏體區(qū)很小，變形時(shí)的變形量也較大，相變溫度較低，在這樣的相變條件下，碳的擴(kuò)散不易充分進(jìn)行，因而鐵素體與滲碳體的協(xié)同生長(zhǎng)受到限制。綜合上述可知，隨著鐵素體晶粒的細(xì)化，珠光體易形成退化的珠光體或游離滲碳體。

 但珠光體退化需要較大的過(guò)冷度，而珠光體提早退化或許與鋼管低合金元素鈮的加入有關(guān)，合金元素對(duì)組織轉(zhuǎn)變的耦合交互作用，引起碳活度的變化所致。一般認(rèn)為在一定過(guò)冷度條件下，尤其是低碳鋼，均勻的過(guò)冷奧氏體也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧瑺钪楣怏w。鋼管在軋制時(shí)，可以通過(guò)控制定徑溫度，來(lái)獲得較細(xì)的晶粒，較小的珠光體片層以及退化珠光體，以期提高其綜合性能。

 為了清晰真實(shí)地反映組織形貌，本文采用OLS4000激光共聚焦掃描顯微鏡對(duì)1#、2#、3#、4#鋼管進(jìn)行了高倍（4000倍）顯微組織觀察。1#、2#、3#、4#鋼管顯微組織為回火索氏體，其高倍金相特征是：鐵素體+顆粒細(xì)小碳化物。由圖1#金相組織可以看出其碳化物聚集，這可能與其淬火溫度偏低有關(guān)，淬火時(shí)未溶碳化物較多，回火后聚集現(xiàn)象仍存在，影響其強(qiáng)度。從圖4#高倍顯微組織中可以看出，由于回火溫度較高，導(dǎo)致碳化物長(zhǎng)大，雖然沖擊性能較好但屈服強(qiáng)度明顯下降。從3#鋼管高倍顯微組織可以看出其針狀鐵素體數(shù)量明顯增加，這是由于隨著淬火溫度的升高，合金元素的擴(kuò)散能力提高，加速了晶界的遷移，原始奧氏體晶粒長(zhǎng)大更充分，奧氏體穩(wěn)定性提高，產(chǎn)生針狀鐵素體非平衡組織，在600℃回火后，因合金元素鈮對(duì)鐵素體再結(jié)晶的阻礙作用，再結(jié)晶尚未完成，部分保留了針狀外形。針狀鐵素體組織相當(dāng)于短纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。短纖維具有使裂紋偏轉(zhuǎn)反射的作用，從而使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高。同時(shí)，針狀鐵素體具有較高的韌性，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中不斷受到彼此咬合、互相交錯(cuò)分布的針狀鐵素體的阻礙，呈波浪起伏狀擴(kuò)展，所以裂紋擴(kuò)展速度降低。

四、結(jié)論

 1. 分別采用熱軋和淬火+回火調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)的抗酸性不銹鋼無(wú)縫管完全滿足APISpec5L標(biāo)準(zhǔn)X52及X65鋼級(jí)要求，且力學(xué)性能和抗酸性腐蝕性能優(yōu)異。

 2. 熱軋態(tài)不銹鋼無(wú)縫管金相組織均勻、晶粒細(xì)小，珠光體片層間距小，且片層呈短片狀，為退化珠光體，有利于提高其力學(xué)性能，并對(duì)氫致裂紋擴(kuò)展起到一定的阻礙作用。

 3. 不銹鋼無(wú)縫管在900℃淬火+600℃回火時(shí)，其顯微組織有利于提高鋼的強(qiáng)度，綜合力學(xué)性能最優(yōu)，因此，可以選擇此調(diào)質(zhì)制度作為抗硫化氫不銹鋼無(wú)縫管的熱處理制度。