L245NS钢在湿硫化氢环境下腐蚀行为研究

任艳辉 黄继超 蒲 哲 刘永良 刘 建 曾云帆

（1. 中国石油西南油气田分公司川东北气矿，四川 达州 635000；2. 西安摩尔石油工程实验室股份有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

输送油气的管道在湿H2S环境下，H损伤主要包括两种形式：应力腐蚀（SCC）与氢致开裂（HIC），它们所引起的失效大多是在事前无可见预兆而突发的脆性断裂，甚至可引起工业设备爆炸，破坏及危害极大[1-3]。

某地区石油天然气富含H2S，油气田站外基本采用245NS PSL2材质管线，在早期该材质管道服役状态良好，未发生过管道失效事故。经过4年以上开发，该地区油气资源含硫量日渐增高，尤其是H2S含量，比开采之初高了19%，H2S浓度的提高会增加材料H损伤的敏感性，故此研究该材质管线钢在高浓度H2S环境下服役状态对该油气田生产安全有重要意义。本实验选用该地区某天然气处理站集气支线所采用的L245NS管线钢，对其直管段及焊管段进行高酸性环境下（高硫化氢、高压、高腐蚀性介质）适用性试验评价分析评价。

1 实验方法

1.1 实验样品分析

试验用试样由材质为L245NS的直管段及焊管段上取样制备而成，选取管内壁腐蚀坑部位、涂层部位等截面，样品尺寸为15×15mm，水砂纸逐级打磨到2000#，抛光。采用4%硝酸酒精进行金相刻蚀，刻蚀后将试样用去离子水清洗干净，酒精吹干。其表面无肉眼可见的裂纹，白点，气孔等缺陷。采用SPECTRD直读光谱仪对其元素进行分析，其化学成分如表1所示。采用WDW-300电子万能试验机进行测试，测试其抗拉强度、屈服强度、伸长率；采用维氏硬度计进行测试，测试其维氏硬度值；采用GX51金相显微镜观察分析金相组织，其机械性能、硬度、晶粒度等如表2所示。由表可知，直管段和焊管的化学成分、抗拉强度、屈服强度、伸长率、纵向冲击吸收功、维氏硬度、组织均满足GB/T 9711-2017对L245NS的要求[4-7]。

表1 式样化学成分分析结果（wt.%）

表2 式样机械性能、硬度、晶粒度

1.2 应力腐蚀实验

试样材料准备：试验溶液用标准A溶液。试验用试样由材质为L245NS的焊管段与直管段取样制备而成，如图1所示。四点弯曲试验是一种恒位移试验，在两个加载棍（轴承圆柱）上支撑弯梁试样，另外两个加载棍施加载荷以使试样的一个面处于拉伸状态（在内加载棍之间均匀受力）；而另一个面处于压缩状态来实现。按照现场液相进行调配，缓蚀剂使用现场用缓蚀剂；通入气体：预制混合气；加载应力暂定85% SMYS（规定最小屈服强度）；试验时间：720h。取出样品后进行评价。

图1 试样加载荷示意图

1.3 氢致开裂试验分析

试验方法是将无应力的试样浸泡在溶液A，常温常压下，含饱和硫化氢（H2S）、氯化钠（NaCl）和乙酸（冰醋酸，CH3COOH)的蒸馏水或去离子水溶液； 浸泡规定的时间后，取出试样并进行评定。

2 实验结果分析

2.1 金相结果分析

在直管段和焊管上取样进行晶粒度和非金属夹杂试验，金相图如图2所示，该钢材组织为铁素体+珠光体，其中直管段铁素体呈带状沿着轧制方向被拉长，而焊管段铁素体则呈不规则的多边状，这俩种钢材的组织分布都较为均匀，无明显夹杂物。铁素体是C及P的偏析区，在湿H2S环境下，这种偏析区会成为“H陷阱”，不断捕获H原子，板条状铁素体其内部形貌为带状，极易成为氢致开裂中的输H通道，使得裂纹扩展，而H原子遇到多边形铁素体则会沿着晶界弯曲，裂纹一般会中止于此[8]。带状组织的存在也使得位错容易运动，位错密度也随之上升，这会导致H原子更容易聚集且传输路径变多。而多边形铁素体会阻碍位错的运动，使位错密度下降，焊管段之所以会出现多边形铁素体是由于焊接时的热量使得钢材组织发生了变化，起到了类似回复再结晶的作用。综上，如想提高管线钢在投用时的抗HIC能力，推荐采用正火等热处理方式均匀化其内部 组织。

图2 金相图

2.2 应力腐蚀试验结果分析

送检试样在模拟环境下（温度：28℃，总压6.5MPa，H2S 分压为0.3MPa，N2充压，溶液为标准A 溶液（0.5wt% CH3COOH+5wt% NaCl）），加载应力为176.4MP（72%SMYYS）时，经720h试验后，六个试样（三个直管段，三个焊管段）均未发生断裂；在10倍放大镜下观察，所有试样表面均未发现裂纹。试验后试样宏观照片如图3所示。

图3 试验后试样宏观照片

对从直管段应力腐蚀试验后试样切取的金相试样进行金相观察。在金相显微镜放大200倍下观察6个试样均未发现外表面裂纹，微观形貌如图4所示。

图4 截面微观形貌照片（200倍）

具体试验结果如表3所示。由结果可知，焊管试样与直管式样在实验后所有试样表面均未发现裂纹，这是得益于该钢材中无明显夹杂物：双相钢一般抗应力腐蚀能力较强，但若是有非金属夹杂物随着冶金过程混入钢材，其会在结晶过程中迅速偏聚于晶界处，极大的提高钢材的应力腐蚀敏感性，如图5所示，金相图中并未发现明显的夹杂物，这会提高钢的抗应力腐蚀能力。

图5 氢致开裂试样表面形貌

表3 应力腐蚀试验结果

2.3 直管段和焊管氢致开裂试验结

氢致开裂试验结束后清洗试样，在直管段3个试样中，试样1存在少量氢鼓泡，试样2、试样3试样表面均存在较多氢鼓泡；L245NS焊管试样氢鼓泡数量相对较少。其形貌如图2-4所示。焊管段及直管段经100倍金相分析，三个试样的所有截面均未发现裂纹，六个试样的裂纹长度率（CLR）、裂纹厚度率（CTR）及裂纹敏感率（CSR）均为0。这说明本次实验所采用的L245钢材由较好的抗HIC能力。

从2.1分析可知，带状铁素体有利于H原子传播，多边形铁素体则会阻碍H原子的扩散，这使得直管段的氢鼓泡明显多于焊管段。同时除了材料本身的微观组织之外，其组成成分也会对氢致开裂敏感性造成影响，钢中的非金属夹杂物由于其机械性能与钢中其他成分不同，会引起较大的弹性畸变，这使得其周围存在许多空隙，成为可以聚集H原子的H陷阱。粗大的板条状组织及细长的非金属夹杂物会使得钢材的氢致开裂敏感性迅速上升。而本次实验所用样品物无可见夹杂物，使得其抗HIC性能大幅上升，这使得样品没有出现氢致开裂裂纹。

3 结语

（1）该处理站所采用的L245NSPSL2钢材夹杂物少，成分均匀，晶粒度不大，含碳量较少，极大的增强了其抗SCC及HIC能力；

（2）该L245NS钢材在模拟环境下（温度：28℃，总压6.5MPa，H2S分压为0.3MPa，N2充压，溶液为标准A溶液（0.5wt% CH3COOH+5wt% NaCl）），加载应力为176.4MPa（72%SMYYS）时，经720h试验后，直管段与焊管段都未出现裂纹，表现出良好的抗SCC能力；

（3）经氢致开裂试验后，直管段和焊管经100倍金相分析，三个试样的所有截面均未发现裂纹，三个试样的裂纹长度率（CLR）、裂纹厚度率（CTR）及裂纹敏感率（CSR）均为0，表现出良好的抗HIC能力。焊管段氢鼓泡少于直管段，说明微观组织形貌会极大的影响抗HIC能力；

（4）该地区所采用的L245NS材质管线钢在高浓度H2S环境下没有出现SCC及HIC现象，仍可保证其后续使用。