高压注汽管道16Mn钢的老化损伤表征分析

王强，王安泉，杨超，田旺，王芫芫

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心，山东东营，257000)

1 引言

高压注汽管道是油田稠油热采的主要设备之一，它的内部介质是高温、高压的蒸汽，温度在380℃左右, 压力10MPa以上[1]。由于其具有工作温度高、压力大、易发生人为破坏、腐蚀环境复杂等特点，因此，在服役期内，高压注汽管道设备存在一定的失效概率以及严重的失效风险，属于油田在用高风险设备[2]。因此，本文以胜利油田服役后的典型材料的高压注汽管道为研究对象，开展长时服役后的典型高压注汽管道材料的老化损伤表征研究，明确材料老化的宏微观机理。

2 实验设置

以典型的高压注汽管道材料（16Mn）为研究对象，其中包括未服役的和已服役的材料。同时，针对未服役的初始材料，采用提升温度及预变形的方法进行加速老化试验。通过对晶粒长大规律、碳化物演化特征、位错亚结构形貌特点等的研究，反演老化机理，阐明在实际工况下长时服役过程中主要的老化机制，并明确与短时加速试验组织退化规律的异同点。

从材料的未服役、退役、以及中间的加速老化材料上切取试块，用于金相试验，设置重复试验三组。金相试样制备过程如下：依次用120、400、600、800目的砂纸预磨试样，机械抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液进行化学腐蚀，后用酒精冲洗，吹风机烘干。最后在Leica光学显微镜下观察金相组织形貌及晶粒尺寸，分析沿壁厚方向的组织有无差异性。

将经过4%硝酸酒精溶液腐蚀后的表面干净的金相试样，置于扫描电子显微镜下，用扫描电子显微镜沿壁厚方向进行组织形貌观察，测试碳化物形貌和尺寸，及其分布情况。同时，进行EDS能谱分析，测试碳化物成分，为确定碳化物类型提供参考。

透射电子显微镜使用电子束作为光源，电磁场作为透镜，但是由于电子束的穿透能力弱，因此对所观察的样品厚度有严格要求，样品厚度为100-200μm，样品直径为3mm。将制得的圆片样品置于JEM2100型高分辨率透射电子显微镜下观察，测试沿壁厚方向上碳化物类型和位错亚结构，采用选区电子衍射和EDAX能谱分析方法对析出碳化物类型进行鉴定，统计相关信息为老化模型参数标定提供基础数据。

3 实验结果分析与讨论

3.1 金相组织观察

未服役的16Mn钢属于珠光体型耐热钢，如图1所示，组织为珠光体和铁素体，16Mn钢的内壁可见明显的带状组织，珠光体呈带状均匀分布在铁素体之间，与铁素体呈黑白相间的条带状；中间壁厚处珠光体呈较短的带状分布在铁素体之中，虽然并未像内壁处两者呈带状交替分布，但也可看出珠光体具有明显的带状分布规律；外壁处没有明显的带状组织，珠光体与铁素体两者均匀分布。内壁与中间壁厚处呈带状组织分布，其可能是由管材加工工艺导致。就晶粒大小来看，沿壁厚方向，晶粒细小，铁素体晶粒平均尺寸约为7μm，珠光体晶粒平均尺寸约为11μm。

图1 未服役16Mn沿壁厚方向金相组织

如图2所示，服役12年的16Mn组织为铁素体和珠光体，铁素体晶粒平均尺寸约为19.6μm，珠光体平均尺寸约为8μm，其仅在内壁处存在带状组织，而从中间到外壁带状组织消失，铁素体和珠光体呈混合均匀分布。与未服役的16Mn相比，沿壁厚方向铁素体晶粒长大，而且，特别是在内壁处，珠光体带变细变窄，断断续续，由此可见，长时服役导致珠光体含量下降。同时，出现了一些针状铁素体，从晶界向晶内生长，插入珠光体晶粒中。

图2 服役12年的16Mn钢沿壁厚方向的金相组织

3.2 SEM观察及EDS分析

如图2（1）所示，未服役的16Mn材料沿壁厚方向，珠光体是由致密的片层状渗碳体和铁素体组成，在内壁处珠光体呈带状分布，外壁处带状组织消失。同时可见，在铁素体基体内有细小、弥散分布的白色颗粒，原本在SEM下呈暗色的铁素体晶界也发白变亮，呈现凸起。对这些白色颗粒及晶界进行EDS点分析发现，如图3（1）所示，在铁素体基体内弥散分布的白色颗粒的C元素含量大于铁素体基体的C元素含量，由于没有其他的合金元素，因此可能为细小的渗碳体颗粒。而发亮凸起的晶界处的元素成分和含量与珠光体内渗碳体的元素成分和含量基本一致，因此推断发亮凸起的晶界是网状渗碳体，这可能与材料在热处理后冷却缓慢有关。

如图2（2）所示，服役12年的16Mn晶界及铁素体基体内并未析出明显的碳化物，晶界上存在少量的网状、半网状渗碳体，铁素体基体内有极少量的白色颗粒，尺寸极小，以及少量的夹杂物颗粒，只有少量的珠光体发生发散，片层状渗碳体碎化，球化并不明显。沿壁厚方向对其进行EDS点扫描分析，结果如图3（2）所示，铁素体基体内的少量白色颗粒中，Mn元素含量略高，杂质元素S的含量较高。

图3 未服役和服役12年的16Mn钢沿壁厚方向的SEM形貌

图4 未服役和服役12年的16Mn钢沿壁厚方向的EDS分析

3.3 TEM观察

如图5（1）所示，未服役的16Mn的组织为典型的珠光体和铁素体。由于加工工艺的影响，其晶界处存在网状或半网状渗碳体。而16Mn材料在服役12年后没有析出明显的碳化物，晶界上仍是网状渗碳体，同时晶内存在一些夹杂物，其中Mn、S元素含量较高。

图5 未服役的16Mn的显微组织

4 结论

根据金相组织观察、SEM观察、EDS分析以及TEM观察的结果，16Mn属于珠光体型耐热钢，未服役态的组织是珠光体和铁素体。而高压注汽管道在高温高压环境下长期服役会发生材料的老化，由于材料属于珠光体型耐热钢，因此长时服役下的老化主要表现为以下几个方面：

①随着服役时间的增长，铁素体晶粒会显著长大，沿壁厚方向上差别不大，珠光体含量会逐渐减小；

②随着服役时间的增长，在高温环境下，珠光体会发生球化，首先是珠光体内片层状渗碳体发散、碎化，逐渐变成球状，并聚集长大，组织中的珠光体含量显著减少，珠光体完全球化后，则组织中的珠光体区域形态特征消失，只留有少量碳化物，但此次研究的16Mn在服役期内未发生严重球化。

③随着服役时间的增长，在发生珠光体球化的同时，由于温度的作用加速了合金元素和碳元素的扩散，因此在晶界处会析出碳化物，随着碳化物在晶界处聚集、数量增多，逐渐呈链状分布在晶界。在析出碳化物的过程中，固溶在晶粒内的合金元素会逐渐扩散到晶界上，形成碳化物，从而削弱合金元素的固溶强化作用，削弱材料的力学性能。