武鋼耐H2S腐蝕X52MS鋼組織及性能分析

崔 雷，李利巍，鄒 航，徐進(jìn)橋，孔君華， 郭 斌， 劉小國

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080)

隨著酸性油氣井開發(fā)力度的不斷加大，管線鋼在輸送含H2S介質(zhì)的油氣過程中的腐蝕失效問題日益突出，其中氫致開裂(HIC)是其主要的失效模式之一[1-3]。為了改善耐H2S腐蝕管線鋼的力學(xué)性能及HIC性能，需要減少鋼中的非金屬夾雜和組織偏析，降低鋼中C、Mn、P等含量；同時(shí)還要避免C、Mn等固溶強(qiáng)化元素的減少造成管線鋼強(qiáng)度和韌性的下降。因此，合理的成分設(shè)計(jì)和軋制工藝成為耐H2S腐蝕管線鋼開發(fā)的關(guān)鍵。本文以武漢鋼鐵(集團(tuán))公司(以下簡(jiǎn)稱武鋼)生產(chǎn)的X52MS管線鋼為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行組織和性能檢驗(yàn)，分析其力學(xué)性能和HIC性能的影響因素，以尋求更為合理的成分設(shè)計(jì)和軋制工藝。

1 試驗(yàn)

1.1 工藝流程

武鋼X52MS管線鋼采用潔凈鋼冶煉、高品質(zhì)連鑄和TMCP技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，主要工藝流程為：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(LF和RH)→板坯連鑄→板坯清理→板坯再加熱→高壓水除磷→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取。

1.2 化學(xué)成分

武鋼X52MS鋼化學(xué)成分如表1所示，表中CEPcm為碳當(dāng)量。由表1中可看出， X52MS鋼中Mn、P和S等影響HIC性能的元素含量均較低。

表1 X52MS鋼化學(xué)成分(wB/%)

1.3 檢驗(yàn)方法

對(duì)武鋼X52MS鋼，按照ASTMA370標(biāo)準(zhǔn)，采用ZWICKZ600H拉伸試驗(yàn)儀(德國)進(jìn)行拉伸性能檢驗(yàn)，試樣類型為全壁厚板狀試樣(平行部寬度為38 mm)；按照ASTME23標(biāo)準(zhǔn)，采用ZWICKRKP450沖擊試驗(yàn)儀(德國)進(jìn)行沖擊性能檢驗(yàn)，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm；按照ASTME112、ASTME1268和ASTME45標(biāo)準(zhǔn)，采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡(日本)進(jìn)行組織和夾雜物觀察；按照ISO15156-2:2003標(biāo)準(zhǔn)，采用NACETM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液進(jìn)行HIC性能檢驗(yàn)(浸泡時(shí)間96 h)，試驗(yàn)溶液初始pH值為2.8，溶液飽和時(shí)pH值為3.0，H2S濃度為2333×10-6，試驗(yàn)結(jié)束后pH值為3.9，H2S濃度為2340×10-6。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織

X52MS鋼金相組織如圖1所示。從圖1中可看出， X52MS鋼組織為鐵素體+少量珠光體(10%左右)，鐵素體形狀為多邊形，晶界光滑、清晰，多數(shù)晶粒直徑為4～9 μm，珠光體以顆粒狀或短棒狀分布于鐵素體晶粒間(圖1(a)；X52MS鋼帶狀組織級(jí)別為0.5級(jí)，視場(chǎng)內(nèi)珠光體分布均勻，未見條帶存在(圖1(b))；鋼中存在D類氧化物夾雜，級(jí)別為0.5級(jí)(圖1(c))。

(a)微觀組織 (b) 帶狀組織 (c) 夾雜物

圖1X52MS鋼金相組織

Fig.1MicrostructuresofX52MSpipelinesteel

2.2 力學(xué)性能

X52MS鋼拉伸性能如圖2所示。X52MS鋼低溫沖擊韌性如圖3所示。對(duì)照企業(yè)制定的特殊行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，X52MS鋼需要滿足的屈服強(qiáng)度為360～530 MPa，抗拉強(qiáng)度為460～760 MPa，屈強(qiáng)比不大于0.93，-20 ℃檢驗(yàn)溫度下，沖擊功單值不小于90 J，沖擊功均值不小于120 J。由圖2、圖3中可看出，武鋼生產(chǎn)的X52MS鋼強(qiáng)度和沖擊韌性均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(a)屈服強(qiáng)度 (b) 抗拉強(qiáng)度

(c)屈強(qiáng)比 (d) 延伸率

圖2X52MS鋼拉伸性能

Fig.2TensilepropertyofX52MSpipelinesteel

(a) 沖擊功單值 (b) 沖擊功均值

圖3X52MS鋼低溫沖擊韌性

Fig.3ImpacttoughnessofX52MSpipelinesteelat-20℃

2.3 HIC性能

HIC檢驗(yàn)后的X52MS鋼試樣宏觀形貌如圖4所示。由圖4可看出，X52MS鋼試樣表面無鼓泡現(xiàn)象，而且無論是裂紋長(zhǎng)度率(CLR)、裂紋厚度率(CTR)還是裂紋敏感率(CSR)均為0。

圖4 HIC檢驗(yàn)后X52MS鋼試樣宏觀形貌

Fig.4MacroscopicappearanceofX52MSpipelinesteelafterHICexamination

3 HIC性能及力學(xué)性能影響因素分析

3.1 成分及組織對(duì)X52MS鋼HIC性能的影響

在含H2S酸性環(huán)境中，鋼基體與腐蝕介質(zhì)間發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)，其陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫通過氫滲透進(jìn)入鋼中，并且極易被偏析帶、位錯(cuò)及MnS夾雜等內(nèi)部缺陷捕獲，當(dāng)陷阱中氫原子濃度達(dá)到臨界值后，便在該位置形成HIC的起源[4,5]。HIC傾向于在MnS夾雜處或偏析帶產(chǎn)生并沿偏析帶擴(kuò)展[4,6-8]，這是因?yàn)椋环矫骅F素體-珠光體中的偏析珠光體條帶是良好的輸氫通道，另一方面晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)作為氫原子的擴(kuò)散通道，促使了HIC沿偏析帶擴(kuò)展。HIC擴(kuò)展過程中裂紋尖端塑性區(qū)會(huì)有滑移帶產(chǎn)生，而滑移帶與珠光體交界處則會(huì)有大量位錯(cuò)產(chǎn)生，并伴隨以高濃度的氫氣團(tuán)[6]。因此，帶狀組織對(duì)X52MS鋼的HIC性能十分敏感。研究結(jié)果顯示珠光體偏析帶上伴有不同程度的Mn、P、S成分偏析[9]。Mn作為重要的固溶強(qiáng)化元素具有擴(kuò)大奧氏體區(qū)的作用，在鐵素體-珠光體組織中起增大珠光體組織含量的作用。P具有減小奧氏體區(qū)的作用，容易在結(jié)晶過程中產(chǎn)生偏析而形成高P區(qū)和低P區(qū)；在非再結(jié)晶階段，奧氏體晶粒隨應(yīng)變累積增大被壓扁、拉長(zhǎng)，高P區(qū)和低P區(qū)也隨之呈條帶狀分布，在軋后冷卻過程中，高P區(qū)的奧氏體優(yōu)先發(fā)生鐵素體相變，低P區(qū)則因C的富集最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，從而出現(xiàn)鐵素體與珠光體分離后的帶狀組織。S在鋼中具有較大的偏析傾向，易和鋼中的Mn形成長(zhǎng)條狀MnS夾雜，從而成為氫原子的陷阱。可見，降低X52MS鋼中Mn、P、S含量，有利于抑制因成分偏析引起的帶狀組織的形成，促使顆粒狀或短棒狀的珠光體組織在鐵素體晶粒間均勻分布，最終提高X52MS鋼的抗HIC能力。

3.2 卷取溫度對(duì)X52MS鋼力學(xué)性能的影響

微合金析出強(qiáng)化直接影響X52MS鋼強(qiáng)度和沖擊韌性，其析出強(qiáng)化效果與溫度存在一定的關(guān)系。相同溫度下，VC、TiC、VN、NbC、NbN、TiN在奧氏體中的溶解量依次降低[10]，相應(yīng)地，Ti的碳氮化物析出溫度最高，Nb其次，V最低。可見， V在低溫階段的析出行為對(duì)X52MS鋼力學(xué)性能的影響較Ti和Nb更為突顯。研究表明，V的析出物主要在鐵素體位錯(cuò)線上形核長(zhǎng)大，而位錯(cuò)線上V的碳氮化物形核率隨卷取溫度降低而減小[11]。研究認(rèn)為500 ℃左右V的析出強(qiáng)化作用最大[12]，低于該值則抑制了V的擴(kuò)散與析出，致使析出強(qiáng)化效果減弱，最終降低鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性。卷取溫度對(duì)X52MS鋼強(qiáng)度及低溫沖擊韌性的影響如圖5所示。從圖5中可看出，隨卷取溫度的降低，X52MS鋼的強(qiáng)度值和沖擊韌性均降低。

(a)屈服強(qiáng)度 (b) 抗拉強(qiáng)度

(c)屈強(qiáng)比 (d)延伸率

圖5卷取溫度對(duì)X52MS鋼強(qiáng)度及低溫沖擊韌性的影響

Fig.5EffectofthecoilingtemperatureonthestrengthandimpacttoughnessofX52MSpipelinesteel

4 結(jié)論

(1)武鋼生產(chǎn)的X52MS鋼具有滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度和沖擊韌性， HIC性能優(yōu)異，其組織為鐵素體+少量珠光體，帶狀組織級(jí)別為0.5級(jí)。

(2)降低X52MS鋼中Mn、P、S含量，有利于抑制因成分偏析引起的帶狀組織的形成，促使顆粒狀或短棒狀的珠光體組織在鐵素體晶粒間均勻分布，最終提高X52MS鋼的抗HIC能力。

(3)卷取溫度的降低會(huì)抑制V的擴(kuò)散與析出，減弱強(qiáng)化析出效果，導(dǎo)致X52MS鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和沖擊韌性降低。

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