UNS S32750焊接管線管的生產工藝研究

夏正文，徐阿敏，孫 偉，廖 軍，許全光，沈 赟，丁文炎

（1.浙江天管久立特材有限公司，浙江 湖州 313012；2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012）

海洋石油平臺立管要經受海浪沖擊和扭曲，需要強度較高且耐點腐蝕性能良好的材料。超級雙相鋼因為擁有奧氏體、鐵素體的雙相組織和較高的耐點腐蝕系數，具有良好的機械性能和耐氯離子腐蝕性能［1-4］，而被認為是作為立管的理想材料，但在此之前，作為立管的超級雙相鋼焊接鋼管沒有在國內制造的先例。另外，超級雙相鋼除具有雙相鋼的一些特性外，特別對金屬間化合物等第三相析出較為敏感，如何在焊接和熱處理環節中進行工藝控制，是生產該產品的關鍵點之一［5］。

為此，這里以國外某石油公司向我國某公司采購的一批超級雙相鋼焊管作為海洋采油平臺的立管為例，對其生產工藝、產品組織和性能進行分析和總結。

1 產品概況

合同產品采用材質為UNS S32750，外徑為219.1 mm，壁厚12 mm，生產標準是在API Spec 5LC—2006《耐腐蝕合金管線鋼管》［6］的基礎上修改和增補的某石油公司內部規范DEP 31.40.20.34［7］。設計溫度為0～60℃，設計壓力9.8 MPa。服役環境為根據ISO 15156-3∶2009《石油和天然氣工業油、氣生產中含硫化氫（H2S）環境下使用的材料第3部分：耐裂化CRAs（防腐蝕合金）和其他合金》標準的酸性環境。

2 制造工藝

2.1 工藝流程

超級雙相鋼的焊管工藝流程：原料檢驗→鋼板超聲波探傷→刨邊→成型→預焊→整圓→切割→焊接→定徑→熱處理→管端加工→焊縫射線檢驗→管端滲透檢驗→水壓試驗→酸洗鈍化→成品檢驗→標記→包裝入庫。

2.2 成 型

在直縫焊管生產中，鋼帶邊部的成型狀態對焊接質量影響極大，生產難點在于對鋼帶邊部有效施加彎矩的保證，采用傳統的成型技術難以解決；而雙相不銹鋼的屈服強度約為普通奧氏體不銹鋼的兩倍，其成型難度更大。

FFX（Flexible Forming Excellent）作為新型的成型技術巧妙地利用卷貼彎曲時的張力效應，最大限度地將彎矩施加到鋼帶的邊部；同時利用軋輥無極兼用的有利條件，可以根據鋼帶的強度和厚度，自由調節彎邊時的成型度以實現最佳焊接條件［8］。

2.3 焊 接

相比于普通奧氏體不銹鋼，雙相鋼熔池的流動性略差，使用普通焊接參數難以保證熔池的穿透性和蓋面的穩定性，特別是在需要較高生產效率的前提下。

為此，采用等離子弧焊（PAW）和鎢極氬弧焊（GTAW）復合焊接工藝［9-10］，焊縫坡口形式及焊接順序如圖1所示。首先，采用等離子弧焊進行穿透熔合，使達到單面焊接、雙面成型的效果；之后，采用鎢極氬弧焊進行填充和蓋面，焊接采用純氬氣保護。

根據生產經驗，為降低有害相析出傾向，焊接過程中盡可能采用較低的線能量，線能量最好不超過16 kJ/cm。另外，層間溫度對于雙相鋼的焊接是至關重要的，必須控制在100℃以下，過高的層間溫度將會加大有害相析出的傾向，并最終影響產品性能。

圖1 焊縫坡口形式和焊接順序

2.4 熱處理

焊接之后的熱處理采用感應爐對焊管整體進行固溶處理［11］，熱處理溫度1 050～1 120℃，水噴淋冷卻至40℃以下。

所制定的生產工藝和具有的生產設備保證了超級雙相鋼焊管的順利生產，且產品具有良好的外觀成型質量。按照生產批次對產品進行成分和理化性能檢測。

3 化學成分、組織和性能

3.1 化學成分

原材料的化學成分除氮含量和耐點腐蝕系數有特殊規定外，其余化學成分應滿足ASTM A 240—2012《壓力容器用耐熱鉻及鉻-鎳不銹鋼鋼板、薄板和鋼帶標準技術條件》中關于UNS S32750的規定。管材管體和焊縫的氮元素質量百分比≥0.20%，耐點腐蝕系數≥40［7，12］。焊縫的合金元素至少與母材相同或更高。

根據ASTM A 751—2014《鋼產品化學分析的試驗方法、規范和術語》標準對所生產的所有批次的焊管的母材和焊縫進行檢測，結果完全滿足上述規定。

3.2 組織及兩相比例

焊接接頭宏觀形貌和顯微組織如圖2所示。從圖2（a）可以看出，焊接接頭的內外表面過渡光滑，無明顯應力集中區域，無氣孔、未焊透、未焊穿等缺陷。另外，從微觀組織中觀察，母材、焊縫的奧氏體相和鐵素體相分布均勻，未發現σ相、碳化物相等第三相析出［13］。

圖2 焊接接頭宏觀形貌和顯微組織

標準DEP 31.40.20.34規定，母材鐵素體含量應控制在40%～60%，焊縫和熱影響區的鐵素體含量應控制在35%～65%。

采用標準ASTM E 562—2011《用系統的人工逐點計數法測定體積因數的標準實驗方法》對產品的焊縫、熱影響區和母材的鐵素體含量進行測定，焊縫鐵素體含量為40%～49%，熱影響區含量為43%～50%，母材鐵素體含量為45%～50%，不同位置的鐵素體含量見表1。從表1可看出，各區域的鐵素體含量都滿足規范要求。

表1 不同位置的鐵素體含量（質量分數） %

3.3 拉伸性能

對產品的母材橫向、縱向，焊縫橫向進行室溫拉伸試驗，執行ASTM A 370—2010《鋼制品力學性能試驗方法和定義》標準。焊縫和母材的拉伸指標見表2。

表2 焊縫和母材的拉伸指標

從表2可以看出，焊縫、母材的屈服強度和抗拉強度都明顯分別高于DEP 31.40.20.34標準要求的550 MPa和750 MPa，母材伸長率明顯高于標準要求的25%，因標準對焊縫伸長率不作要求，故在檢測中未加以體現。

從力學性能來看，焊縫的強度與母材的強度相當。

3.4 顯微硬度

DEP 31.40.20.34標準要求母材最大顯微硬度不超過330 HV10，焊縫和熱影響區不超過350 HV10，最大值和最小值之差不超過100 HV10。

對產品的焊接接頭取樣，并根據ISO 6507-1∶2005《金屬維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準進行顯微硬度測定。結果顯示：焊縫、熱影響區和母材的顯微硬度值分別是254.6～280.1 HV10、261.6～275.4 HV10 和 263.5～287.8 HV10，所有區域的維氏硬度都滿足規范要求，未發現明顯脆硬區域。

3.5 沖擊性能

對產品的焊縫中心、熔合線、熔合線外5 mm和母材分別取沖擊試樣，試樣尺寸5 mm×10 mm×55 mm，按照ASTM A 370—2010標準在-50℃溫度下進行沖擊試驗。不同區域的沖擊功分布趨勢如圖3所示。

3.6 耐點腐蝕性能

點腐蝕試驗根據ASTM G 48—2011《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗的標準方法》A法進行，在40℃溫度下連續浸蝕72 h；DEP 31.40.20.34標準要求試樣表面不出現點腐蝕坑，且單位面積失重不超過0.4 mg/cm2。

對所有批次產品進行點腐蝕試驗，單位面積失重最大值0.085 mg/cm2，最小值0.006 mg/cm2，平均值0.045 mg/cm2，滿足要求（≤0.4 mg/cm2）。

圖3 不同區域的沖擊功分布趨勢

4 結 論

（1）生產超級雙相鋼焊管時，采用的FFX成型技術可獲得良好效果。

（2）采用等離子弧和鎢極氬弧焊復合焊接工藝在提高生產效率的同時，獲得的焊縫組織和性能滿足標準要求。

（3）所生產的超級雙相鋼焊管已應用在高端應用領域，這證明了中國制造的產品正逐步得到認同。

［1］丁文炎，邵羽，蘇誠，等.“熱擠壓+冷軋”制造022Cr25Ni7Mo4N無縫鋼管的工藝技術研究［J］.鋼管，2012，41（1）：35-38.

［2］何德孚，曹志樑，周志江，等.不銹鋼管和鈦管的氣動泄漏密實性試驗新方法［J］.鋼管，2012，41（4）：63-67.

［3］何德孚，王晶瀅.我國應重視低鎳鉬雙相不銹鋼及鋼管的研發［J］.鋼管，2013，42（5）：1-8.

［4］何德孚，曹志梁，周志江，等.我國應重視鐵素體及鐵素體/奧氏體不銹鋼管材的開發［J］.鋼管，2001，30（6）：4-10.

［5］ The International Molybdenum Association.Practical guidelines for the fabrication of duplex stainless steel［M/OL］.Second edition.London：The International Molybdenum Association，2009.http：//www.imoa.info/searchresults.php.

［6］ API Spec 5LC—2006耐腐蝕合金管線鋼管［S］.2006.

［7］ DEP 31.40.20.34 Welded and seamless duplex and super duplex stainless steel line pipe（amendment/supplements to API Spec 5LC）［S］.2011.

［8］周淑軍，駱傳教，吳秀宇，等.FFX成型技術的先進性分析［J］.鋼管，2010，39（1）：53-55.

［9］何德孚，曹志梁，蔡新強，等.不銹鋼GTAW焊管生產中的焊縫成形控制［J］.鋼管，2004，33（1）：13-19.

［10］何德孚，曹志樑，蔡新強，等.鈰鎢電極在GTAW/PAW不銹鋼焊管生產中的應用研究［J］.鋼管，2008，37（2）：16-22.

［11］何德孚，曹志樑，周志江，等.從歐美日標準看我國不銹鋼鋼管制造業的現狀及發展前景［J］.鋼管，2008，37（5）：69-73；2008，37（6）：60-68；2009，38（1）：63-69.

［12］何德孚，曹志樑，蔡新強，等.含氮奧氏體不銹鋼在焊管領域中的應用前景［J］.鋼管，2006，35（5）：1-8.

［13］ Huang Chi Shang，Shih Chia Chang.Effects of nitrogen and high temperature aging on σ phase precipitation of duplex stainless steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2005（1）：66-75.