天然气集输系统用LC65-2205双相不锈钢焊管工艺及性能

吉 海,方焰冰,吕建民,许全光,刘明洲,廖 军,杨利民

(浙江久立特材科技股份有限公司,浙江 湖州313012)

摘 要: 针对阿曼Khazzan气田项目集输管线建设用LC65-2205双相不锈钢焊管的生产,依据项目采购标准对LC65-2205双相不锈钢焊管进行了拉伸性能、冲击韧性、显微硬度及抗点蚀性能等的研究分析,并通过定量金相技术测定了母材、焊缝和热影响区(HAZ)三个位置区域的铁素体含量。结果显示,开发的LC65-2205双相不锈钢焊管管体母材、焊缝及热影响区110℃高温拉伸性能、-56℃低温冲击韧性、显微硬度值分布、抗点腐蚀性能、铁素体含量及尺寸精度均满足且优于技术标准要求,可用于含H 2 S、CO 2 、Cl - 等强腐蚀性介质的油气输送。

关键词: LC65-2205;焊管;低温冲击;高温拉伸;尺寸精度;API 5LC

Khazzan项目为BP(英国石油公司)在阿曼投产的大型气田项目,开采气体为致密天然气,储藏在地下最深5 km处的极其坚硬密实的狭长岩石带中,所处的环境及介质条件非常苛刻,天然气中含有约13%的Cl - ,除此之外还含有 CO 2 、H 2 S等, 腐蚀性强,介质危害性大,因此该项目约有200km集输管线使用力学性能和耐腐蚀性能良好的LC65-2205双相不锈钢焊接钢管。

由于所设计的LC65-2205双相不锈钢焊接钢管除了满足API SPEC 5LC-1998(R2006)标准技术要求外,还有更高的技术要求,如-56℃冲击试验、110℃高温拉伸试验、点腐蚀试验、SSC硫化氢应力腐蚀试验等,该材料焊接组织性能和工艺要求有许多特点,必须掌握这些,才能使材料达到要求,并得到更好的应用。

1 技术要点

LC65-2205双相不锈钢焊接钢管首先需满足基础标准 API SPEC 5LC—1998(R2006), 部分技术要求需符合NORSOK STANDARD M650,最终验收技术条件为客户制定的采购技术规范,该技术规范在点蚀系数、耐腐蚀率、高温性能、冲击韧性、液压试验、无损检测、尺寸精度等方面比 API SPEC 5LC—1998(R2006)、Shell采购规范及BP全球采购规范要求的更为细致和严格。

1.1 检测试验

技术项目主要包括耐腐蚀速率、高温拉伸性能、低温冲击韧性等理化性能检验及无损检测、水压试验、内径、椭圆度等检测项目,这些项目均是基于APISPEC5LC—1998(R2006)新增的特殊项目。

1.1.1 理化性能检验

理化性能检验基于API SPEC 5LC—1998(R2006)新增的特殊项目及指标见表1。

表1 理化性能检验项目及指标

1.1.2 无损检测要求

(1)超声波检测。对LC65-2205双相不锈钢原材料进行100%覆盖式超声波检测;执行标准为 BS EN ISO 10893-9:2011 Non-destructive testing of steel tubes,板体和板边缘的验收级别分别为B1级和E1。对于LC65-2205双相不锈钢焊管距管端200 mm以内的两端管体进行超声波检测,执行标准为ISO 10893-11:2011(E);对于LC65-2205双相不锈钢焊管距管端200 mm以内的两端焊缝进行超声波检测,执行标准为ISO 10893-11: 2011(E)。

(2)渗透检测。对钢管两端坡口面和整管管体及焊缝进行100%液体渗透检测,执行标准为ISO 10893-4: 2011。

(3)射线检测。对LC65-2205双相不锈钢焊管焊缝进行100%射线检测,执行标准为ISO 10893-6:2011,图像质量等级要求达到B级,此外,还需做对比试验验证灵敏度,以满足ISO 10893-7:2011中对几何不清晰度的规定。

1.1.3 尺寸精度

项目在组对安装时采用全自动装配和焊接机器人模式,此时较高的管端尺寸精度可确保自动对接。该项目对管端尺寸(包括内径偏差、椭圆度)要求非常严格,且测量方式非传统卡尺及内通环法,而是采用激光系统进行测量,360°圆周测量,测量点至少为2 000点。

另外,该项目对焊接钢管定尺尺寸也有严格的要求,长度必须保证在11~11.8 m,且至少95%的钢管长度在11.7 m左右。不同标准对焊管定尺尺寸要求对比见表2。

表2 不同标准对焊管定尺尺寸要求对比

综上对比,该项目规格书及标准在理化性能检验、无损检测、压力试验、尺寸公差及产品质量等方面对LC65-2205双相不锈钢焊接钢管有很高的技术等级要求。

2 关键制造工艺

2.1 工艺流程

根据客户制定的采购技术规范要求,针对LC65-2205双相不锈钢焊接钢管的生产制备,制定了详细生产工艺流程,如图1所示。

图1 双相不锈钢焊管生产工艺流程

2.2 焊接

对于双相不锈钢,焊接过程熔池流动性较普通奥氏体不锈钢差,因此,要获得穿透性和稳定性于一体的高质量焊缝,需选用合适的保护气体并能精确控制气流量。另外,还采用电弧自动跟踪及焊缝激光跟踪技术,对焊接弧压与焊缝中心位置进行自动检测控制,形成闭环控制系统,以确保长时间焊接的稳定性。

焊缝规定耐点腐蚀当量(pitting resistance equivalent numbers,PREN)≥35,且为双面焊接,为防止焊缝合金元素的过渡稀释,选用高合金含量的专用焊丝进行填充焊,且采用等离子焊与氩弧焊组合焊接工艺。壁厚为6.4 mm双相不锈钢焊管焊接参数见表3。

表3 双相不锈钢焊管焊接参数

2.3 无损检测

无损检测主要包括成型前原材料的超声波检测、成型焊接后焊缝的X射线检测和管端200 mm的管体超声波检测及坡口面的液体渗透检测。为此,生产线上配备了先进的超声波板探设备和X射线数字式DR成像设备。

对板边缘和板体的超声波检测执行标准为10893-9:2011,要求覆盖率至少25%。使用先进的超声波检测设备在板边缘沿前进的反方向进行平行扫查,在板体部分沿前进的反方向进行等间距摆动扫查,覆盖率达100%。

对焊缝的射线检测采用数字式DR成像,该项目规格书要求在满足ISO 10893-6:2011的基础上,还需满足标准ISO 10893-7:2011的规定。数字成像所得图像质量达B级,优于常规胶片所获得的图像质量。

管端坡口面的液体渗透检测执行标准为ISO 10893-4: 2011。

3 LC65-2205焊管两相比例、力学性能及腐蚀性能

3.1 铁素体含量及金相组织

客户制定的采购技术规范中规定,母材铁素体含量应控制在40%~55%,焊缝和热影响区的铁素体含量应控制在35%~60%。

客户制定的采购技术规范要求苛刻,对双相不锈钢焊管的母材、焊缝及热影响区按照ASTM E562分别各检测3个区域,共9个区域,且对每个区域拍30张照片形成30个数据,合计共270个铁素体含量数据。基于该检测要求,对已生产的多个批次的焊管金相试样进行检测统计,发现焊缝铁素体含量为45%~52.5%,热影响区含量为45%~54.5%,母材铁素体含量为49%~54.5%。焊管母材、焊缝、热影响区3个区域的铁素体检测数据分布情况如图2所示。从图2可以看出,3个区域的铁素体含量相对分布均匀,这与原材料的生产制备及热处理工艺的控制有密切关系。

焊管母材、焊缝和热影响区3个区域的铁素体和奥氏体两相组织分布均匀,用NaOH溶液腐蚀后可清楚观察到(如图3所示)。

图2 LC65-2205焊管不同区域铁素体含量

图3 LC65-2205焊管母材、焊缝及热影响区两相组织分布

3.2 力学性能

3.2.1 硬度

根据客户制定的采购技术规范要求,依据ISO 6507-1:2005对双相不锈钢焊接钢管的母材、焊缝和热影响区进行显微硬度测试。母材区域硬度值不应超过290HV 10 ,焊缝和热影响区的硬度值不应超过330HV 10 。硬度检测点如图4所示。

图4 硬度检测点示意图

对已生产的多个批次焊管的母材、焊缝和热影响区的检测数据进行统计分析,发现3个区域的显微硬度值均满足标准要求,分布规律如图5所示。

图5 LC65-2205母材、焊缝、热影响区显微硬度

从图5可以发现,LC65-2205双相不锈钢焊管母材、焊缝和热影响区的显微硬度值均远远低于标准要求,且分布均匀。

3.2.2 高温拉伸性能

该项目对LC65-2205双相不锈钢焊管的高温拉伸性能要求严格,执行标准为ISO 6892-2—2011。对已生产的多个批次的LC65-2205双相不锈钢焊管管体母材和焊缝进行了高温拉伸试验,检测数据见表4。

表4 LC65-2205焊管110℃高温拉伸性能

标准要求母材延伸率≥25%,而对焊缝延伸率没有具体要求,但在实际生产检验中,仍然要求大于20%。从表4可以看出,母材和焊缝横向抗拉强度基本接近,而且焊缝延伸率几乎与母材横向延伸率接近,虽然焊缝组织为铸态组织,但焊缝的力学性能仍与母材力学性能接近,这与优良的焊接工艺、热处理工艺及控制有关。

3.2.3 低温冲击韧性

LC65-2205双相不锈钢焊管的低温冲击试验根据ASTM A370标准执行,要求试样缺口位置分别处于焊缝中心、熔合线(FL)、熔合线外2 mm区域(FL+2mm)、熔合线外5mm区域(FL+5mm)和母材,试验温度-56℃,试样尺寸为 5 mm×10 mm×55mm,将试验结果冲击功值按系数0.67进行折算,换算成等效10mm×10mm×55mm尺寸的冲击功值。

标准要求横向全尺寸试样的低温冲击功单值≥55 J,均值≥75 J,同样对已生产的多个批次焊管冲击试样进行低温冲击试验并进行统计分析。冲击功值的波动情况如图6所示。经过对数据对比发现,熔合线、熔合线+2 mm及熔合线+5 mm区域的冲击功相对波动小且略小于母材和焊缝区域的冲击功;焊缝的低温冲击功最高,表明焊缝具有优良的低温冲击韧性,从而更加肯定了本研究所采用的焊接工艺方案的正确性及合理性。无论冲击功单值或均值均明显低于标准规定的最小值要求。

图6 LC65-2205焊管母材、焊缝、热影响区冲击功

3.3 抗点腐蚀性能

LC65-2205双相不锈钢焊管母材、焊缝及热影响区的抗点腐蚀性能依据标准ASTM A923-01 C法进行,将腐蚀试样在(25±2)℃温度下在氯化铁试验溶液中连续浸蚀24 h,之后将腐蚀试样表面放大20倍进行观察,要求试样表面无点腐蚀坑,且腐蚀率≤10 mdd。

对已生产的多个批次的LC65-2205双相不锈钢焊管母材、焊缝及热影响区腐蚀试样进行抗点腐蚀试验,并对腐蚀速率进行计算分析,分析结果如图7所示。焊管3个区域的点腐蚀速率在1.027~2.807 mdd,满足标准要求 (≤10 mdd),且试样在低倍显微镜下观察,未发现有点蚀坑存在。

图7 LC65-2205双相不锈钢焊管的点腐蚀速率

4 尺寸精度

依据客户制定的采购技术规范对已生产的多个批次的LC65-2205双相不锈钢焊管产品尺寸精度采用激光测量系统进行测量,实测后的数据分析结果如图8所示。从图8可以看出,所有焊管产品的尺寸公差完全满足椭圆度≤1 mm的要求,且表明焊管产品的尺寸控制较均匀,完全满足标准要求。

图8 LC65-2205双相不锈钢焊管产品的尺寸精度

5 结束语

客户制定的采购技术规范在点腐蚀性能、低温冲击韧性、高温拉伸性能及铁素体含量等方面的技术指标要求较API SPEC 5LC—1998(R2006)、Shell采购规范及BP全球采购规范要求更为细致和严格。本研究制定的焊接工艺及无损检测等关键工艺要求保证了LC65-2205双相不锈钢焊接钢管的高质量生产。从各项检测结果看,本研究所述LC65-2205双相不锈钢焊接钢管铁素体含量、高温拉伸性能、低温冲击韧性、抗点腐蚀性能等均满足阿曼Khazzan天然气项目的要求,且部分指标远远优于标准要求。

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JI Hai,FANG Yanbing,LYU Jianmin,XU Quanguang,LIU Mingzhou,LIAO Jun,YANG Limin
(Zhejiang Jiuli Hi-Tech Metals Co.,Ltd.,Huzhou 313012,Zhejiang,China)

Abstract: For the production of LC65-2205 duplex stainless steel welded steel pipe for the construction of the Khazzan gas field project in Oman,the tensile properties,impact toughness,microhardness and pitting resistance of LC65-2205 duplex stainless steel welded pipe were studied according to the project procurement standard.At the same time,the ferrite content of the three locations of the base metal,weld and heat affected zone(HAZ)was determined by quantitative metallographic techniques.The results show that the exploitative LC65-2205 duplex stainless steel welded pipe has good mechanical properties and corrosion resistance.The 110℃high temperature tensile properties of tube base metal,weld and HAZ,-56℃low temperature impact toughness,microhardness value distribution,pitting corrosion resistance,ferrite content and dimensional accuracy meet and exceed the technical standards.The pipe could be used for oil and gas transportation with strong corrosive media such as hydrogen sulfide,carbon dioxide and chloride ions.

Key words: LC65-2205;welded pipe;low temperature impact;high temperature tensile;dimensional accuracy;API 5LC

Technology and Properties of LC65-2205 Duplex Stainless Steel Welded Pipe for Natural Gas Gathering and Transporting System

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.007

文献标识码: A

作者简介: 吉 海(1979—),女,本科,高级工程师,主要从事不锈钢焊接管工艺研究与技术、质量管理工作。

中图分类号: TG144

收稿日期: 2018-07-09

编辑:杨 军