管线钢抗hic性能不合格原因分析

2009年第1期梅山科技41管线钢抗HIC性能不合格原因分析朱红丹1殷胜2(11梅山钢铁公司制造管理部21梅山钢铁公司技术中心南京210039)摘要:抗硫化氢腐蚀管线钢是管线钢中性能要求等级最高的钢种,是宝钢的onlyone产品。通过对GradeB试制时抗HIC性能不合格的原因分析,探讨了管线钢抗HIC性能的关键影响因素,并提出了提高管线钢抗HIC性能的控制措施。关键词:HIC;管线钢;影响因素DisqualificationAnalysisofHICResistancePerformanceofPipelineSteelZhuHongdanYinSheng12(11ManufacturingManagementDepartmentofMeishanIron&SteelCo.,21TechnologyCenterofMeishanIron&SteelCo.,Nanjing210039)Keywords:HIC;pipelinesteel;influencingfactor抗HIC管线钢是石油天然气用钢中性能要求等级最高、生产难度最大的钢种,由于其对钢水的纯净度、铸坯的偏析控制及控轧控冷的要求极高,国内能够生产这种钢的厂家很少,该产品目前是宝钢的Onlyone产品。梅钢目前开发生产了2种牌号,分别为X52和GradeB。X52是2007年开发生产的,其抗HIC性能较好,出现裂纹的数量较少,且多数都是小裂纹,符合客户的要求。而2008年GradeB的生产出现了很大的波动,首次生产的产品抗HIC性能很差,全部不合格,且氢致裂纹呈现典型的阶梯状形貌。本文通过针对GradeB管线钢的成分控制、冶炼工艺、轧制工艺、显微组织等方面进行抗HIC性能不合格的原因调查,分析了影响管线钢抗HIC性能的主要因素,为提高抗HIC管线钢生产稳定性提供理论依据。1硫化氢腐蚀的机理硫化氢腐蚀是指钢材在含水硫化氢中发生的电化学腐蚀。主要的腐蚀形式为:全面腐蚀和硫化物应力腐蚀开裂。对于低合金高强度钢而言,一般有以下4种形式:1.1氢鼓泡(HB)钢材表面的水分子中产生大量的氢原子,氢原子向钢材内部渗入,在缺陷部位(如夹杂、位错、蚀坑等)聚集,结合成氢分子。由于分子所占的空间是原子的20倍,巨大的体积膨胀使钢材内部产生很大的内应力,当应力达到一定的程度时就引起了界面开裂,形成氢鼓泡。其分布平行于钢板表面。1.2氢致开裂(HIC)当氢原子在钢材的内部缺陷处聚集形成小的鼓泡裂纹后,随着内部氢分子的压力增高,小裂纹趋向于相互连接形成有阶梯状特征的氢致开裂。氢致开裂裂纹分布平行于轧制方向。1.3硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)氢原子渗入钢材内部溶解于晶格中产生脆性,在外加应力的作用下形成开裂。1.4应力导向氢致开裂(SOHIC)在应力引导下,在夹杂物与缺陷处聚集的氢分子形成的小裂纹,沿着垂直于应力的方向发展。一般而言,热轧态的管线钢是制管的母材,需要进行HB、HIC和SSCC3项检验。2试验方法及结果用梅钢自产抗硫化氢管线钢GradeB,按照标准进行了抗HIC试验和SSCC试验。2.1HIC试验1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.42梅山科技2009年第1期按NACETM0284标准要求,在A溶液中通入硫化氢饱和气体。初始PH值:2.73.3;结束PH值:3.54.0。检测周期:96h。试样取出后检查表面鼓泡情况,之后截取垂直于轧向的截面,用金相显微镜观察截面是否有微裂纹。并计算3个参量:裂纹长度率CLR、裂纹宽度率CTR和开裂敏感率CSR,用于评定材料的抗硫化氢腐蚀能力。2.2SSCC试验按照NACETM0177标准的要求,在A溶液中对试样施加72%SMYS的应力,720h后检查试样厚度方向的裂纹情况,根据裂纹的长度评定其抗硫化氢应力腐蚀性能。2.3试验结果首次试制的GradeB经硫化氢腐蚀试验后,表面出现大量鼓泡(见图1),对其截面进行显微观察,其截面出现了大量的肉眼都可见的裂纹(见图2)。试验结果表明试制的GradeB的抗HIC性能不合格。为此对不合格的原因进行了调查和分析。图1表面鼓泡3分析与讨论各种研究122表明影响钢材抗硫化氢腐蚀的因素很多。从生产工艺方面来说主要有以下几个方面:钢水的纯净度、铸坯的偏析控制和控轧控冷效机理的3个方面进行失效原因的分析,结合生产工艺的调查,从而探讨影响管线钢抗HIC性能的关键因素。图2氢致裂纹3.1化学成分有研究3表明钢中C、Mn、P、S的含量对抗HIC性能有显著的影响。碳是钢中最常用的强化元素,随着C的增加,其HIC敏感性增加,但是日本及前苏联研究认为C在0.01%0.05%其HIC敏感性最小。锰在钢中既能固溶又能与硫结合形成MnS夹杂物,MnS的存在增加了HIC敏感性,但是只有锰和硫质量分数之积达到一定值时才容易产生MnS。同时Mn的增加会引起带状组织的生成,从而增加HIC敏感性,一般Mn的质量分数控制在0.8%1.6%。硫能促进HIC发生,其与锰形成的MnS夹杂物是HIC最容易形核的位置,其含量必须控制在0.002%以下。磷元素在钢材凝固时产生偏析,从而形成氢的聚集源,增加了HIC敏感性,一般要的水平。从抗HIC失效机理来说主要有:化学成求P在0.005%0.010%。分、夹杂物和显微组织3个方面。本文着重从失对不合格板卷做化学成分分析,结果见表1。表1钢卷主要化学成分wt,%材料号AC0.08Si0.174Mn0.657P0.008S0.002Mo0.002Nb0.012Ca0.0031板卷的成分设计完全符合控制要求,特别是P、S的控制很好,满足抗HIC管线钢的要求。3.2夹杂物一般认为钢中MnS夹杂物是导致HIC性能不合格的主要因素,因此对不合格板卷取金相组织分析样,进行夹杂物分析。检验结果为少量硫化物夹杂物B1.0级,与抗HIC性能较好的X52(B1.5级)相比,这种夹杂物级别属于正常较好的情况,不会导致抗HIC性能严重不合格。3.3金相组织大量研究表明对中低强度的管线钢而言,当组织中出现带状珠光体组织和分布于板厚中心的1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.朱红丹殷胜管线钢抗HIC性能不合格原因分析43Mn、P元素的低温转换组织时,钢的HIC敏感性增加。对不合格板卷进行金相组织分析,其组织属于铁素体+珠光体(见图3),未发现珠光体带状组织。在。图3金相组织对HIC试验后的试样的裂纹进行电镜和能谱分析,以确认是否存在MnS夹杂物。裂纹形貌见图4,裂纹中心位置的能谱分析见图5。图4裂纹形貌裂纹中心处能谱结果显示存在C、O、S、Si、Mn元素。结合成分分析的结果,排除MnS夹杂物异常的可能。由于裂纹在钢中主要沿着珠光体扩散,裂纹处C元素的含量说明该处可能是珠光体组织。剩下只有O元素的出现显得异常。O元素在钢中一般的存在形式是氧化铝夹杂物,但是能谱分析未显示铝元素,排除了氧化铝夹杂物的可能。O元素的出现还有可能是铸坯中疏松处在加热时氧化后带入。为排除电镜试样制样时带入O元素,在裂纹周围也进行了能谱分析(见图6、7),结果表明在裂纹周围并没有O元素的存3.4结合工艺分析GradeB首次试制时连铸未采用轻压下工艺,且拉速较慢。铸坯质量较差,中心疏松的情况较严重。(下转第46页)1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.46降3.42%左右。2.2.3适用特点比较梅山科技2009年第1期到目前为止,脉冲燃烧方式在国内大型板坯加热炉上还没有成功的应用经验可以借鉴,其实脉冲燃烧方式适合于产量波动幅度较大,钢种、规格变换比较频繁,跟踪精度要求较高的生产条件,分公司2050mm热轧产品的规格品种变化较多,适用于该种燃烧方式。但是从梅钢情况来看,2009206之后,公司350万t扩建改造全部完成,1422mm热轧将进入满负荷生产状态,产量在正常情况下不会大幅度波动,同时,该产线的品种、规格变化也相对较少,其工况条件并不是非常适合脉冲燃烧方式。2.2.4建设成本及风险比较脉冲式加热炉三电系统的改造量要比空气煤气双预热式多50%以上,对烧嘴前ON2OFF脉冲调节阀的稳定性和可靠性要求也比较高,管道布置复杂,改造和维护费用都比采用空气煤气双预热方案要高。如果采用空气煤气双预热式燃烧系统,其炉型结构与2号加热炉相似,工艺方案成熟可靠,设计、施工、调试有成功经验可以借鉴,生产操作、工艺设备等尽可能保持炉区的一致性,便于操作和维护。(上接第43页)综合以上分析,得出结论:首次试制时铸坯的中心疏松可能是导致其抗HIC性能严重不合格的主要原因。为此在后续生产时改进了连铸工艺,采用轻压下技术,稳定拉速保证铸坯的质量,减少疏松。经过工艺调整后,该钢种的抗HIC性能大幅提高,多数炉次未出现微裂纹,全部合格。4结语抗HIC管线钢GradeB首次试制时抗HIC性能不合格的主要原因是铸坯的中心疏松。由于中心疏松使钢中产生了大量的微观缺陷,在含水硫化氢氛围中,大量的氢原子聚集在缺陷处,形成际应用效果如何需要等待实践的检验。因此,其实际应用中仍存在一定的风险。综合以上分析,脉冲式加热炉设计能耗虽然比双预热式略低,但是梅钢热轧的工况条件并不适合采用,加之建设成本也较高,同时在国内还没有成功应用的经验,选用脉冲式在技术和应用上存在较大的风险。3结论通过对蓄热式、空气煤气双预热式和脉冲式3种不同型式加热炉能耗、建设成本、运行维护及应用风险的分析比较,认为梅钢1422mm热轧1号加热炉大修改造选用空气煤气双预热式燃烧方案是一种最优化的选择。致谢:本文所用部分数据得到了热轧板厂同仁的支持和帮助,在此深表感谢!(编辑:李霞)了裂纹源,最终在钢中出现了氢致裂纹。参考文献1周琦.管线钢中硫化夹杂物与