热处理对L245/316L双金属复合管力学性能及耐蚀性研究

热处理对 L245/ 316L双金属复合管力学性能及耐蚀性研究

苗洪波 燕群 刘蓬

济南辰达试验机制造有限公司 山东省济南市 250117

摘要：L245/316L双金属复合管作为应用较为广泛的一种复合管材料在克拉玛依油田、塔里木油田等大型项目建设中均有使用。L245/316L双金属复合管采用热变型成型工艺，力学性能及耐腐蚀性能优异，但还需热处理消除其内应力，改善组织状态，使性能充分发挥出来。热处理能改善双金属复合管的耐腐蚀性能，找出适合的热处理参数及方法，可以生产出高质量的双金属复合管；对双金属复合管耐蚀情况研究也可为在复杂苛刻工况下的双金属管线钢提供理论依据。鉴于双金属复合管在国内油气集输管道的使用时间还不长，尚未有足够的对双金属复合管在热处理方面的研究与结论，对双金属复合管耐蚀情况的研究有限，所以对双金属管线钢在热处理下的力学性能变化及耐蚀情况研究有重要意义，以期能对生产提供指导。

关键词：热处理；力学性能；耐蚀性

引言

据统计，因输送管道腐蚀造成的经济损失十分庞大，尤其是管材耐腐蚀性能差更易发生腐蚀失效，如低碳钢管网、低合金钢管网等。双金属复合管的出现减少了在运输中因腐蚀造成的管道泄露损失，受到油气田用户的青睐。油气田介质中存在CO₂、H₂S等腐蚀气体，管道腐蚀影响油气运输质量，会给油气田用户带来损失。本文研究了L245/316L双金属复合管的正火、固溶热处理工艺，确定了一种较为适合L245/316L双金属复合管的热处理工艺方案，并对不同热处理工艺对基管的力学性能及耐腐蚀性能的影响因素进行分析研究。

1 双金属复合管发展趋势

随着双金属复合管的发展，研究者也研究了性能更高、针对性更强的新型双金属复合管。镁合金被大量用于制造轻质铸件，是铝合金良好的替代品。然而，镁合金耐磨性较差、强度低，研究制造出的Mg/Al双金属复合材料满足了管道质轻、性能高的要求，这种复合材料可以综合两种合金的优点，目前已开发出包括固-固结合和固-液结合等方法用于不同的应用领域。

双金属复合管的设计思路可以根据所使用的金属成分提供结构和功能特性的组合。例如，与铜管相比，铜-铝双金属管耐腐蚀性能优良、重量轻。铜高密度的特性阻碍了铜在轻量化设计中的应用，因其成本高已经尝试使用铝代替。铝是一种性能优良、价格便宜且密度较小的金属。双金属铜和铝结构是替代铜的有利解决方案，一方面提供了较低的重量和成本，另一方面又具有铜的固有特性，铜-铝双金属管可以很好地替代由铜及其合金制成的管材，广泛用于建筑物、化学工业、炼油厂、液压管路、空调和热交换器以及食品工业中的饮用水输送等。专家尝试用铜包铝管代替空调用铜管。实验表明，CCA（铜包铝）管或ACC（铝包铜）管可以减轻重量，降低材料成本，甚至提高性能。

2 力学性能及耐腐蚀性能的影响因素

（1）基管碳钢L245通过热膨胀相变法测量的AC1为735℃，AC3为832℃，与经验公式计算出来的临界温度数据基本一致；L245/316L双金属碳钢经过正火热处理，组织仍为F+P，正火860℃保温0.5h晶粒细化，珠光体分布更为均匀，晶粒度从未热处理8.0变为9.0；随着正火温度的升高至900℃正火0.5h、920℃正火0.5h出现3.2级B魏氏组织；经过正火热处理的复合管316L侧的奥氏体无相变，晶粒度没有变化，在界面均有扩散层出现；L245/316L双金属经过固溶热处理，固溶温度达1180℃时，温度过高，晶粒过分长大，存在马氏体与上贝氏体组织，同时出现大块铁素体；316L奥氏体不锈钢奥氏体晶粒度从未热处理5.0变为4.0，1180℃固溶1h晶粒有长大的趋势，同时发现较多孪晶。

（2）维氏硬度试验测试结果显示从316L到L245硬度呈现先增加后降低的趋势，正火热处理工艺在界面处硬度值最高，随着正火温度的升高，整体硬度值变大；固溶热处理工艺L245侧硬度值提升明显；不管是正火还是固溶热处理工艺，316L侧硬度值几乎无变化，为140HV左右。

（3）拉伸试验数据显示，未热处理全尺寸拉伸试验抗拉强度和屈服强度仅468.0MPa、234.3MPa，随着正火温度的升高抗拉强度和屈服强度呈先增大后减小的趋势，在860℃正火0.5h时抗拉强度486.3MPa、屈服强度286.3MPa综合最佳；经过固溶热处理后，抗拉强度及屈服强度得到大幅提升，在1080℃固溶1h分别提升至959.7MPa、674.3MPa，固溶处理后应力-应变曲线未出现屈服平台。

（4）在0℃进行冲击试验，未热处理冲击韧性为40.7J，正火热处理后随着正火温度的升高冲击韧性先增大后减小，在840℃、860℃取得最大值为80.3J；固溶处理后，冲击韧性大幅下降，随着固溶温度的升高，冲击韧性增大，1180℃固溶1h冲击韧性为27.3J。

（5）通过对正火860℃分别保温15min、30min、45min、60min的金相组织、力学性能研究后发现，保温30min其力学性能最佳，冲击韧性为80.3J，界面结合强度最高为312.5MPa。

（6）FeCl₃点蚀浸泡固溶1180℃保温1h点蚀速率最小为8.47(g/(m²·h))，正火热处理工艺中860℃正火0.5h点蚀速率最小为13.17(g/(m²·h))；抗点蚀性能1180℃固溶最为优良；且对其点蚀坑进行测量，点蚀坑尺寸与上述数据规律一致。316L侧晶间腐蚀D法腐蚀率第二周期普遍快于第一周期，且经过敏化处理后的晶间腐蚀速率加快，正火热处理下840℃保温0.5h第一周期腐蚀速率最低为75.9(g/(m²·h))；固溶处理下1180℃保温1h第一周期的腐蚀速率最低为60.3(g/(m²·h))。结合一二周期的腐蚀速率，耐晶间腐蚀性能排序为：1180℃固溶1h＞原始未热处理＞1130℃固溶1h＞1080℃固溶1h＞880℃正火0.5h＞860℃正火0.5h＞840℃正火0.5h＞碳钢；晶间腐蚀E法未热处理及热处理下均未出现晶间腐蚀裂纹，碳钢侧发生严重腐蚀。极化曲线测试显示固溶1080℃处理后的自腐蚀电位最正为11.38mV，860℃正火0.5h、880℃正火0.5h均不及未热处理为-95.35mV、-3.02mV。

（7）研究了不同热处理界面性能，860℃正火0.5h、880℃正火0.5h的界面硬度平均值为175.8HV、184HV；860℃正火0.5h界面结合强度最高为312.5MPa。固溶处理后的界面硬度高但是结合强度低只有150MPa左右。

（8）通过多组热处理试验，860℃正火0.5h后其基管力学性能较好，316L内覆层耐腐蚀性虽有所降低但较低程度小，综合考量后可作为最佳热处理工艺。

3 研究展望

本文研究了不同热处理工艺对双金属复合管L245/316L力学性能及耐蚀性的影响规律，通过对热处理后复合管力学性能及耐腐蚀性能的综合考量，初步优化出了最佳的热处理工艺，取得了一定的研究成果。但是本文所选的热处理工艺种类及参数不够完善，由于时间关系，在对界面的研究方面、耐腐蚀性能评价方面不足，因此还需要进一步重点展开以下研究：

（1）热处理方案增加回火热处理方案，对基管L245的组织再进行研究，通过力学性能及耐蚀性的综合评判，优化回火的热处理工艺，改善性能。

（2）在对复合管内覆层316L耐腐蚀性评价过程中，应丰富耐蚀性评价手段，增加抗HIC性能测试。

（3）界面研究方面应更加深入，研究界面微观组织调控、界面局部腐蚀行为等方面。

参考文献：

[1]聂向晖,李亮,刘迎来,等.双金属复合管的生产工艺及工业应用[J].石油管材与仪器,2017(01):14-16.

[2]李世威.双金属复合管在海底油气输送中的应用研究[J].中国高新科技,2018(05):65-67.