管线钢裂纹萌生及其扩展的研究

李金玲，刘 伟，王翼鹏，左秀荣，李 源，赵鹏翔，陈 康

(1.郑州大学 物理工程学院，郑州 450052;2.鞍钢股份公司 炼钢总厂，辽宁 鞍山 114031)

石油、天然气是工业发展的主要能源，随着西气东输工程的推进，我国油气田的开采逐步向西南部和海上转移.管线输送作为一种经济、安全、长距离的输送工具而被大量应用.然而，管道铺设地区的环境通常复杂恶劣，并且许多石油天然气是H2S、CO2等腐蚀介质共存的油气.我国开始向深海开发油气资源，海底石油的开采环境和油气质量更是复杂多样.在潮湿的酸性环境中管线钢易萌生氢致裂纹(HIC)，HIC一旦萌生可能迅速扩展，造成管道失效.因此，管线钢不仅要有足够的强度和韧性，还应具有良好的抗HIC性能;抗HIC性能也就成为评价管线钢性能一个很重要的指标［1～4］.目前，分析 HIC 产生的机理，改善管线钢的HIC抗力，已成为研究的重点.研究发现［5］，化学成分、微观组织、夹杂物及缺陷对管线钢抗HIC性能均有影响.管线钢晶粒越细，HIC敏感性越低［6］.贝氏体组织有很高的HIC敏感性，尤其是板条状贝氏体组织［7］，而均匀细小的针状铁素体组织具有优良的抗 HIC 性能［8，9］.管线钢中非金属夹杂物是不可避免的，也是裂纹萌生的主要区域［10，11］.挪威船级社 DNV － OS － F101 － 2007标准要求满足酸性工作条件的管材应进行夹杂物形状控制.

本文选取深海油气输送用X65管线钢为研究对象，采用金相显微镜、SEM观察及EDS分析研究了钢中夹杂物形态、尺寸、类型及钢的组织特征对HIC萌生和扩展的影响，同时找出影响HIC敏感性因素.

1 试验方案与过程

1.1 试样制备

试验材料为热机械控制轧制工艺(TMCP)生产的铁素体加贝氏体组织深海管线用X65管线钢.采用低P、低S、高Cr成分设计，不仅有效提高钢的强度，而且降低了钢的HIC敏感性.沿管线钢轧制方向截取试样，其尺寸为100 mm×20 mm×27 mm，试样的6个面用 320号砂纸打磨.试验前，试样用1，1，1－三氯乙烷脱脂溶液脱脂并用丙酮清洗.

1.2 试验方法

试验按照美国腐蚀工程协会NACE TM0284标准规定的HIC试验方法进行.试验溶液为A溶液，即5%(质量分数，下同)氯化钠+0.5%冰乙酸+饱和H2S水溶液.

试验装置如图1所示.首先向充满5%氯化钠和0.5%冰乙酸水溶液的密闭容器中以100 ml/min的速度通入氮气1 h，以便及时排除溶液中的氧气.除氧后，将H2S气体通入溶液，以每升溶液200 ml/min的速率保持1 h，之后须保持H2S气体为正压不断通入，以便保证溶液中的H2S达到饱和.气体均应通入到溶液底部，试验开始时测试其pH值为2.7，试验温度为25℃，试验时间为96 h.

试验结束后，取出试样并沿轧制方向截取试样，试样尺寸为25 mm×20 mm×27 mm.试样抛光后采用SEM观察及EDS分析其微观组织特征，用4%硝酸酒精腐蚀后再次在SEM下观察其组织及HIC裂纹.

图1 试验装置图Fig.1 Schematic diagram of test assembly

2 试验结果及分析

图2为小尺寸球形夹杂物.由图2(a)可见，该钢为多边形铁素体加粒状贝氏体组织.EDS分析表明夹杂物是由 Al、Mg、Ca、Ti、O 组成的小尺寸球形复相夹杂，位于晶界和相界处.夹杂物周围的大部分区域出现孔洞，孔洞在脆硬的第二相处尤其明显.这是因为脆硬的第二相和夹杂物交界处是强烈的H陷阱，界面处存在应力集中，使形成HIC所需要H浓度的门槛值降低.但此夹杂物为尺寸较小的球形夹杂物，表面平滑致密，在夹杂物周围H的富集量少，不会出现严重的应力集中，没有萌生裂纹，是相对理想的夹杂物.图2(b)中Al2O3－CaO－CaS夹杂物尺寸小且形态趋于球形，与基体结合紧密，没有萌生裂纹.钢中S含量偏高且有Mn存在时，形成形态比较大的MnS夹杂，该夹杂是HIC最易形核的位置.随着钢中S含量的增加，钢的HIC敏感性提高［12］.Ca处理使形态比较大的MnS夹杂趋于球形，降低钢的HIC敏感性.经研究发现［13］，在一定范围内，随着钢中m(Ca)/m(S)值增加，抗HIC的性能提高.

图3为不规则富Si夹杂物.由图3(a)可见，该夹杂物硬脆无塑性，不易变形，形态比较大.起源于该夹杂物上的裂纹穿过晶界，一端延伸至较硬的粒状贝氏体组织内部，另一端延伸到铁素体晶内.夹杂物是强烈的H陷阱，当H聚集时会产生应力集中，促使HIC形核并扩展，具有很大的危害性.贝氏体组织韧塑性低，使处于粒状贝氏体中的裂纹一端形成尖角，向贝氏体内部扩展.当基体内的H不断聚集在此处，HIC会继续扩展，甚至会穿过多个晶界.铁素体强度低、韧塑性好，在铁素体内的裂纹端部出现钝化，不易继续扩展.

由图3(b)可见，裂纹起源于形状不规则的富硅夹杂物，夹杂物尖角处萌生裂纹.裂纹穿过脆硬的贝氏体组织扩展到铁素体内，形成较长的裂纹.裂纹另一端在铁素体内扩展，铁素体组织较好的韧塑性使裂纹不易继续扩展.上述分析表明，管线钢内H在不规则夹杂物周围聚集，夹杂物尖角处易产生应力集中而萌生裂纹，甚至形成穿过晶界的较长裂纹.

图2 小尺寸球形夹杂物Fig.2 Small spherical inclusions

图4为两种不同类型的复合夹杂物组成的共生夹杂物，处于铁素体晶界处.EDS分析表明1处夹杂物是由Al2O3－CaO－MgO组成的复相夹杂物，形态趋于球形，表面颜色较暗，与基体相比韧性较差，表面与周围均有孔洞出现，是强烈的H陷阱.当H在基体中扩散时，会优先选择在该夹杂物处富集，达到一定量便会萌生裂纹.EDS分析表明2处夹杂物应为FeS和FeO组成的复合夹杂物.夹杂物上的裂纹显示夹杂物疏松、硬度较低，FeS具有一定的韧性，与基体结合紧密，周围没有形成孔洞，不易萌生HIC.综上所述，硬度低、韧性好的夹杂物与基体结合较好，不易萌生HIC，而脆硬夹杂物周围在轧制过程中易形成孔洞，成为H的捕获点，提高钢的HIC敏感性.

图5为沿晶和穿晶裂纹.图5(a)为在晶界处形核并扩展的HIC裂纹.晶界处位错集中，是强烈H陷阱，成为钢中HIC敏感区域.当H聚集时，在图5(b)中不规则形状夹杂物尖角处会出现应力集中，萌生HIC并扩展.裂纹一端处于晶界处，晶界阻碍了裂纹的扩展，随着H的聚集，裂纹会穿过晶界向晶粒内扩展.裂纹另一端穿过晶界扩展到铁素体晶粒内，由于铁素体组织韧塑性较好，裂纹尖端出现钝化，不易继续扩展.

图6为基体中形成的HIC.由图6可见，裂纹处于铁素体组织内，内部平滑，没有可观察到的夹杂物、晶界、相界等H陷阱出现，可能是位错、亚晶界、析出相等成为的HIC起裂源.

图3 不规则富Si夹杂物Fig.3 Irregular Si－enriched inclusions

图4 共生夹杂物Fig.4 Paragenetic inclusions

综上所述，非金属夹杂物是钢中HIC的起裂源，其数量、形态、尺寸及分布影响钢的HIC敏感性.因此，为了提高管线钢的抗HIC性能，必须减少管线钢中的夹杂物数量，控制夹杂物的形态.管线钢经铁水预处理、转炉冶炼、精炼、连铸、热轧工艺制备.通过铁水预处理脱硫，转炉冶炼、精炼降低O、H、N、S、P含量，并进行钙处理改变夹杂物形态，连铸过程采用轻压下、电磁搅拌技术改善铸坯的枝晶偏析及减少缩孔，控轧控冷工艺控制形成更加均匀细小的组织，均能有效提高管线钢抗HIC 性能［14，15］.

图5 沿晶和穿晶裂纹Fig.5 Intercrystalline crack and transcrystalline crack

图6 基体中HICFig.6 HIC in the matrix

3 结论

(1)晶界、相界、脆硬的第二相、非金属夹杂物等是钢中的H陷阱.小尺寸的球形夹杂物一般不易萌生裂纹.长条状和具有尖角的夹杂物处易萌生HIC，基体中的H在此类夹杂物处富集，在尖角处出现应力集中，增加了钢的HIC敏感性.Ca处理能使夹杂物形态趋于分散的球形，降低钢的HIC敏感性.

(2)脆硬的近球形Al2O3－CaO－MgO夹杂及不规则富Si夹杂物处易萌生裂纹;硬度较低的FeS－FeO夹杂及Al2O3－CaO－CaS夹杂物和基体结合紧密，其周围不易萌生裂纹.

(3)HIC更易在脆硬的贝氏体中扩展.晶界处缺陷较多，裂纹一般会沿着晶界扩展;晶界有阻碍裂纹向晶内扩展的作用，若氢压达到一定量也会穿过晶界向晶粒内部扩展.

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