管線鋼裂紋萌生及其擴展的研究

李金玲，劉 偉，王翼鵬，左秀榮，李 源，趙鵬翔，陳 康

(1.鄭州大學 物理工程學院，鄭州 450052;2.鞍鋼股份公司 煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114031)

石油、天然氣是工業發展的主要能源，隨著西氣東輸工程的推進，我國油氣田的開采逐步向西南部和海上轉移.管線輸送作為一種經濟、安全、長距離的輸送工具而被大量應用.然而，管道鋪設地區的環境通常復雜惡劣，并且許多石油天然氣是H2S、CO2等腐蝕介質共存的油氣.我國開始向深海開發油氣資源，海底石油的開采環境和油氣質量更是復雜多樣.在潮濕的酸性環境中管線鋼易萌生氫致裂紋(HIC)，HIC一旦萌生可能迅速擴展，造成管道失效.因此，管線鋼不僅要有足夠的強度和韌性，還應具有良好的抗HIC性能;抗HIC性能也就成為評價管線鋼性能一個很重要的指標［1～4］.目前，分析 HIC 產生的機理，改善管線鋼的HIC抗力，已成為研究的重點.研究發現［5］，化學成分、微觀組織、夾雜物及缺陷對管線鋼抗HIC性能均有影響.管線鋼晶粒越細，HIC敏感性越低［6］.貝氏體組織有很高的HIC敏感性，尤其是板條狀貝氏體組織［7］，而均勻細小的針狀鐵素體組織具有優良的抗 HIC 性能［8，9］.管線鋼中非金屬夾雜物是不可避免的，也是裂紋萌生的主要區域［10，11］.挪威船級社 DNV － OS － F101 － 2007標準要求滿足酸性工作條件的管材應進行夾雜物形狀控制.

本文選取深海油氣輸送用X65管線鋼為研究對象，采用金相顯微鏡、SEM觀察及EDS分析研究了鋼中夾雜物形態、尺寸、類型及鋼的組織特征對HIC萌生和擴展的影響，同時找出影響HIC敏感性因素.

1 試驗方案與過程

1.1 試樣制備

試驗材料為熱機械控制軋制工藝(TMCP)生產的鐵素體加貝氏體組織深海管線用X65管線鋼.采用低P、低S、高Cr成分設計，不僅有效提高鋼的強度，而且降低了鋼的HIC敏感性.沿管線鋼軋制方向截取試樣，其尺寸為100 mm×20 mm×27 mm，試樣的6個面用 320號砂紙打磨.試驗前，試樣用1，1，1－三氯乙烷脫脂溶液脫脂并用丙酮清洗.

1.2 試驗方法

試驗按照美國腐蝕工程協會NACE TM0284標準規定的HIC試驗方法進行.試驗溶液為A溶液，即5%(質量分數，下同)氯化鈉+0.5%冰乙酸+飽和H2S水溶液.

試驗裝置如圖1所示.首先向充滿5%氯化鈉和0.5%冰乙酸水溶液的密閉容器中以100 ml/min的速度通入氮氣1 h，以便及時排除溶液中的氧氣.除氧后，將H2S氣體通入溶液，以每升溶液200 ml/min的速率保持1 h，之后須保持H2S氣體為正壓不斷通入，以便保證溶液中的H2S達到飽和.氣體均應通入到溶液底部，試驗開始時測試其pH值為2.7，試驗溫度為25℃，試驗時間為96 h.

試驗結束后，取出試樣并沿軋制方向截取試樣，試樣尺寸為25 mm×20 mm×27 mm.試樣拋光后采用SEM觀察及EDS分析其微觀組織特征，用4%硝酸酒精腐蝕后再次在SEM下觀察其組織及HIC裂紋.

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of test assembly

2 試驗結果及分析

圖2為小尺寸球形夾雜物.由圖2(a)可見，該鋼為多邊形鐵素體加粒狀貝氏體組織.EDS分析表明夾雜物是由 Al、Mg、Ca、Ti、O 組成的小尺寸球形復相夾雜，位于晶界和相界處.夾雜物周圍的大部分區域出現孔洞，孔洞在脆硬的第二相處尤其明顯.這是因為脆硬的第二相和夾雜物交界處是強烈的H陷阱，界面處存在應力集中，使形成HIC所需要H濃度的門檻值降低.但此夾雜物為尺寸較小的球形夾雜物，表面平滑致密，在夾雜物周圍H的富集量少，不會出現嚴重的應力集中，沒有萌生裂紋，是相對理想的夾雜物.圖2(b)中Al2O3－CaO－CaS夾雜物尺寸小且形態趨于球形，與基體結合緊密，沒有萌生裂紋.鋼中S含量偏高且有Mn存在時，形成形態比較大的MnS夾雜，該夾雜是HIC最易形核的位置.隨著鋼中S含量的增加，鋼的HIC敏感性提高［12］.Ca處理使形態比較大的MnS夾雜趨于球形，降低鋼的HIC敏感性.經研究發現［13］，在一定范圍內，隨著鋼中m(Ca)/m(S)值增加，抗HIC的性能提高.

圖3為不規則富Si夾雜物.由圖3(a)可見，該夾雜物硬脆無塑性，不易變形，形態比較大.起源于該夾雜物上的裂紋穿過晶界，一端延伸至較硬的粒狀貝氏體組織內部，另一端延伸到鐵素體晶內.夾雜物是強烈的H陷阱，當H聚集時會產生應力集中，促使HIC形核并擴展，具有很大的危害性.貝氏體組織韌塑性低，使處于粒狀貝氏體中的裂紋一端形成尖角，向貝氏體內部擴展.當基體內的H不斷聚集在此處，HIC會繼續擴展，甚至會穿過多個晶界.鐵素體強度低、韌塑性好，在鐵素體內的裂紋端部出現鈍化，不易繼續擴展.

由圖3(b)可見，裂紋起源于形狀不規則的富硅夾雜物，夾雜物尖角處萌生裂紋.裂紋穿過脆硬的貝氏體組織擴展到鐵素體內，形成較長的裂紋.裂紋另一端在鐵素體內擴展，鐵素體組織較好的韌塑性使裂紋不易繼續擴展.上述分析表明，管線鋼內H在不規則夾雜物周圍聚集，夾雜物尖角處易產生應力集中而萌生裂紋，甚至形成穿過晶界的較長裂紋.

圖2 小尺寸球形夾雜物Fig.2 Small spherical inclusions

圖4為兩種不同類型的復合夾雜物組成的共生夾雜物，處于鐵素體晶界處.EDS分析表明1處夾雜物是由Al2O3－CaO－MgO組成的復相夾雜物，形態趨于球形，表面顏色較暗，與基體相比韌性較差，表面與周圍均有孔洞出現，是強烈的H陷阱.當H在基體中擴散時，會優先選擇在該夾雜物處富集，達到一定量便會萌生裂紋.EDS分析表明2處夾雜物應為FeS和FeO組成的復合夾雜物.夾雜物上的裂紋顯示夾雜物疏松、硬度較低，FeS具有一定的韌性，與基體結合緊密，周圍沒有形成孔洞，不易萌生HIC.綜上所述，硬度低、韌性好的夾雜物與基體結合較好，不易萌生HIC，而脆硬夾雜物周圍在軋制過程中易形成孔洞，成為H的捕獲點，提高鋼的HIC敏感性.

圖5為沿晶和穿晶裂紋.圖5(a)為在晶界處形核并擴展的HIC裂紋.晶界處位錯集中，是強烈H陷阱，成為鋼中HIC敏感區域.當H聚集時，在圖5(b)中不規則形狀夾雜物尖角處會出現應力集中，萌生HIC并擴展.裂紋一端處于晶界處，晶界阻礙了裂紋的擴展，隨著H的聚集，裂紋會穿過晶界向晶粒內擴展.裂紋另一端穿過晶界擴展到鐵素體晶粒內，由于鐵素體組織韌塑性較好，裂紋尖端出現鈍化，不易繼續擴展.

圖6為基體中形成的HIC.由圖6可見，裂紋處于鐵素體組織內，內部平滑，沒有可觀察到的夾雜物、晶界、相界等H陷阱出現，可能是位錯、亞晶界、析出相等成為的HIC起裂源.

圖3 不規則富Si夾雜物Fig.3 Irregular Si－enriched inclusions

圖4 共生夾雜物Fig.4 Paragenetic inclusions

綜上所述，非金屬夾雜物是鋼中HIC的起裂源，其數量、形態、尺寸及分布影響鋼的HIC敏感性.因此，為了提高管線鋼的抗HIC性能，必須減少管線鋼中的夾雜物數量，控制夾雜物的形態.管線鋼經鐵水預處理、轉爐冶煉、精煉、連鑄、熱軋工藝制備.通過鐵水預處理脫硫，轉爐冶煉、精煉降低O、H、N、S、P含量，并進行鈣處理改變夾雜物形態，連鑄過程采用輕壓下、電磁攪拌技術改善鑄坯的枝晶偏析及減少縮孔，控軋控冷工藝控制形成更加均勻細小的組織，均能有效提高管線鋼抗HIC 性能［14，15］.

圖5 沿晶和穿晶裂紋Fig.5 Intercrystalline crack and transcrystalline crack

圖6 基體中HICFig.6 HIC in the matrix

3 結論

(1)晶界、相界、脆硬的第二相、非金屬夾雜物等是鋼中的H陷阱.小尺寸的球形夾雜物一般不易萌生裂紋.長條狀和具有尖角的夾雜物處易萌生HIC，基體中的H在此類夾雜物處富集，在尖角處出現應力集中，增加了鋼的HIC敏感性.Ca處理能使夾雜物形態趨于分散的球形，降低鋼的HIC敏感性.

(2)脆硬的近球形Al2O3－CaO－MgO夾雜及不規則富Si夾雜物處易萌生裂紋;硬度較低的FeS－FeO夾雜及Al2O3－CaO－CaS夾雜物和基體結合緊密，其周圍不易萌生裂紋.

(3)HIC更易在脆硬的貝氏體中擴展.晶界處缺陷較多，裂紋一般會沿著晶界擴展;晶界有阻礙裂紋向晶內擴展的作用，若氫壓達到一定量也會穿過晶界向晶粒內部擴展.

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