武钢耐H2S腐蚀X52MS钢组织及性能分析

崔 雷，李利巍，邹 航，徐进桥，孔君华， 郭 斌， 刘小国

(武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北 武汉，430080)

随着酸性油气井开发力度的不断加大，管线钢在输送含H2S介质的油气过程中的腐蚀失效问题日益突出，其中氢致开裂(HIC)是其主要的失效模式之一[1-3]。为了改善耐H2S腐蚀管线钢的力学性能及HIC性能，需要减少钢中的非金属夹杂和组织偏析，降低钢中C、Mn、P等含量；同时还要避免C、Mn等固溶强化元素的减少造成管线钢强度和韧性的下降。因此，合理的成分设计和轧制工艺成为耐H2S腐蚀管线钢开发的关键。本文以武汉钢铁(集团)公司(以下简称武钢)生产的X52MS管线钢为研究对象，对其进行组织和性能检验，分析其力学性能和HIC性能的影响因素，以寻求更为合理的成分设计和轧制工艺。

1 试验

1.1 工艺流程

武钢X52MS管线钢采用洁净钢冶炼、高品质连铸和TMCP技术进行生产，主要工艺流程为：铁水脱硫→转炉冶炼→炉外精炼(LF和RH)→板坯连铸→板坯清理→板坯再加热→高压水除磷→粗轧→精轧→层流冷却→卷取。

1.2 化学成分

武钢X52MS钢化学成分如表1所示，表中CEPcm为碳当量。由表1中可看出， X52MS钢中Mn、P和S等影响HIC性能的元素含量均较低。

表1 X52MS钢化学成分(wB/%)

1.3 检验方法

对武钢X52MS钢，按照ASTMA370标准，采用ZWICKZ600H拉伸试验仪(德国)进行拉伸性能检验，试样类型为全壁厚板状试样(平行部宽度为38 mm)；按照ASTME23标准，采用ZWICKRKP450冲击试验仪(德国)进行冲击性能检验，试样规格为10 mm×10 mm×55 mm；按照ASTME112、ASTME1268和ASTME45标准，采用OLYMPUS GX71金相显微镜(日本)进行组织和夹杂物观察；按照ISO15156-2:2003标准，采用NACETM 0177标准A溶液进行HIC性能检验(浸泡时间96 h)，试验溶液初始pH值为2.8，溶液饱和时pH值为3.0，H2S浓度为2333×10-6，试验结束后pH值为3.9，H2S浓度为2340×10-6。

2 试验结果

2.1 金相组织

X52MS钢金相组织如图1所示。从图1中可看出， X52MS钢组织为铁素体+少量珠光体(10%左右)，铁素体形状为多边形，晶界光滑、清晰，多数晶粒直径为4～9 μm，珠光体以颗粒状或短棒状分布于铁素体晶粒间(图1(a)；X52MS钢带状组织级别为0.5级，视场内珠光体分布均匀，未见条带存在(图1(b))；钢中存在D类氧化物夹杂，级别为0.5级(图1(c))。

(a)微观组织 (b) 带状组织 (c) 夹杂物

图1X52MS钢金相组织

Fig.1MicrostructuresofX52MSpipelinesteel

2.2 力学性能

X52MS钢拉伸性能如图2所示。X52MS钢低温冲击韧性如图3所示。对照企业制定的特殊行业技术标准，X52MS钢需要满足的屈服强度为360～530 MPa，抗拉强度为460～760 MPa，屈强比不大于0.93，-20 ℃检验温度下，冲击功单值不小于90 J，冲击功均值不小于120 J。由图2、图3中可看出，武钢生产的X52MS钢强度和冲击韧性均满足技术标准。

(a)屈服强度 (b) 抗拉强度

(c)屈强比 (d) 延伸率

图2X52MS钢拉伸性能

Fig.2TensilepropertyofX52MSpipelinesteel

(a) 冲击功单值 (b) 冲击功均值

图3X52MS钢低温冲击韧性

Fig.3ImpacttoughnessofX52MSpipelinesteelat-20℃

2.3 HIC性能

HIC检验后的X52MS钢试样宏观形貌如图4所示。由图4可看出，X52MS钢试样表面无鼓泡现象，而且无论是裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)还是裂纹敏感率(CSR)均为0。

图4 HIC检验后X52MS钢试样宏观形貌

Fig.4MacroscopicappearanceofX52MSpipelinesteelafterHICexamination

3 HIC性能及力学性能影响因素分析

3.1 成分及组织对X52MS钢HIC性能的影响

在含H2S酸性环境中，钢基体与腐蚀介质间发生化学及电化学反应，其阴极反应产生的氢通过氢渗透进入钢中，并且极易被偏析带、位错及MnS夹杂等内部缺陷捕获，当陷阱中氢原子浓度达到临界值后，便在该位置形成HIC的起源[4,5]。HIC倾向于在MnS夹杂处或偏析带产生并沿偏析带扩展[4,6-8]，这是因为，一方面铁素体-珠光体中的偏析珠光体条带是良好的输氢通道，另一方面晶粒内部的位错作为氢原子的扩散通道，促使了HIC沿偏析带扩展。HIC扩展过程中裂纹尖端塑性区会有滑移带产生，而滑移带与珠光体交界处则会有大量位错产生，并伴随以高浓度的氢气团[6]。因此，带状组织对X52MS钢的HIC性能十分敏感。研究结果显示珠光体偏析带上伴有不同程度的Mn、P、S成分偏析[9]。Mn作为重要的固溶强化元素具有扩大奥氏体区的作用，在铁素体-珠光体组织中起增大珠光体组织含量的作用。P具有减小奥氏体区的作用，容易在结晶过程中产生偏析而形成高P区和低P区；在非再结晶阶段，奥氏体晶粒随应变累积增大被压扁、拉长，高P区和低P区也随之呈条带状分布，在轧后冷却过程中，高P区的奥氏体优先发生铁素体相变，低P区则因C的富集最终转变为珠光体组织，从而出现铁素体与珠光体分离后的带状组织。S在钢中具有较大的偏析倾向，易和钢中的Mn形成长条状MnS夹杂，从而成为氢原子的陷阱。可见，降低X52MS钢中Mn、P、S含量，有利于抑制因成分偏析引起的带状组织的形成，促使颗粒状或短棒状的珠光体组织在铁素体晶粒间均匀分布，最终提高X52MS钢的抗HIC能力。

3.2 卷取温度对X52MS钢力学性能的影响

微合金析出强化直接影响X52MS钢强度和冲击韧性，其析出强化效果与温度存在一定的关系。相同温度下，VC、TiC、VN、NbC、NbN、TiN在奥氏体中的溶解量依次降低[10]，相应地，Ti的碳氮化物析出温度最高，Nb其次，V最低。可见， V在低温阶段的析出行为对X52MS钢力学性能的影响较Ti和Nb更为突显。研究表明，V的析出物主要在铁素体位错线上形核长大，而位错线上V的碳氮化物形核率随卷取温度降低而减小[11]。研究认为500 ℃左右V的析出强化作用最大[12]，低于该值则抑制了V的扩散与析出，致使析出强化效果减弱，最终降低钢的强度和冲击韧性。卷取温度对X52MS钢强度及低温冲击韧性的影响如图5所示。从图5中可看出，随卷取温度的降低，X52MS钢的强度值和冲击韧性均降低。

(a)屈服强度 (b) 抗拉强度

(c)屈强比 (d)延伸率

图5卷取温度对X52MS钢强度及低温冲击韧性的影响

Fig.5EffectofthecoilingtemperatureonthestrengthandimpacttoughnessofX52MSpipelinesteel

4 结论

(1)武钢生产的X52MS钢具有满足技术标准的强度和冲击韧性， HIC性能优异，其组织为铁素体+少量珠光体，带状组织级别为0.5级。

(2)降低X52MS钢中Mn、P、S含量，有利于抑制因成分偏析引起的带状组织的形成，促使颗粒状或短棒状的珠光体组织在铁素体晶粒间均匀分布，最终提高X52MS钢的抗HIC能力。

(3)卷取温度的降低会抑制V的扩散与析出，减弱强化析出效果，导致X52MS钢的屈服强度、抗拉强度、屈强比和冲击韧性降低。

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