（机械工程专业论文）l360mb钢级螺旋埋弧焊管抗硫化氢应力腐蚀试验研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： l 3 6 0 m b 钢级螺旋埋弧焊管抗硫化氢应力腐蚀试验研究 机械工程 康万平( 签名) 王宇( 签名) 冯启华( 签名) 摘要 由于西部地区天然气输气管道介质中的h 2 s 会引起氢致裂纹( h i c ) 、输送压力和h 2 s 共同作用会引起硫化氢应力腐蚀开裂( s s c c ) ，从而导致输送钢管的失效。普通焊接钢管 不具备抗h i c 和抗s s c c 能力，因此需要进口专用直缝埋弧焊管( u o e 钢管) 来保证输 气管线的运行安全，成本非常高。 为了解决抗硫化氢应力腐蚀用管完全依赖进口的问题，满足国内油气田开发对抗硫 化氢腐蚀钢管的大量需求，根据用户对l 3 6 0 m b 钢级螺旋埋弧焊钢管抗h 2 s 腐蚀性提出 的要求，通过解剖分析国外抗h 2 s 腐蚀焊管的理化性能扣抗腐蚀性能，提出了l 3 6 0 m b 钢级抗h 2 s 应力腐蚀螺旋焊管及其卷板的性能要求。 本文主要采用国内钢铁企业开发的低碳、超低磷、硫、细化晶粒的抗硫化氢管线钢， 进行焊丝焊剂匹配试验，优化焊接工艺，通过成型工艺控制残余应力等方法进行了工业 性试验与研究。经过大量试验，成功研制出l 3 6 0 m b 钢级抗硫化氢应力腐蚀螺旋缝埋弧 焊钢管，满足i s 0 3 1 8 3 - - 3 ：1 9 9 9 标准和用户订货技术要求。 关键词：螺旋焊管抗硫化氢应力腐蚀试验研究 论文类型：应用研究 h 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo na n t i h y d r o g e ns u l f i d es t r e s sc o r r o s i o no fl 3 6 0 m bs t e e ls p i r a l w e l d e dp i p e s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 。， n a m e ：k a n gw h n p i n g ( s i g n a t u r e ) 生簟! ! 厂哆 i n s t r u c t o r ：w a n gy u ( s i g n a t u m u 丛够江 f e n gq i h u a ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t ：k 从 d u et ot h eh 2 so ft h ew e s t e r nr e g i o ng a sp i p e l i n em e d i u mm a yc a u s eh y d r o g e n - i n d u c e d c r a c k i n g ( h i c ) ，t h ed e l i v e r yp r e s s u r ea n dt h ec o m b i n e de f f e c to fh 2 sw i l lc a u s eh y d r o g e n s u l f i d es tt h ec o m b i n e de f f e c to fh 2 sw i l lc a u s eh y d r o g e ns u l f i d es t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g ( s s c c ) ，r e s u r i n gi nt h ef a i l u r eo ft r a n s m i s s i o np i p e g e n e r a lw e l d e ds t e e lp i p ed o e sn o th a v e t h ec a p a b i l i t yo fa n t i h i ca n ds s c cr e s i s t a n c e ，s oi tn e e d st oi m p o r ts p e c i a ll s a wp i p e o es t e e lp i p e ) t oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fg a sp i p e l i n e ，w h i c hc o s ti sv e r yh i 曲 i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a th y d r o g e ns u l f i d ec o r r o s i o nr e s i s t a n tt u b ei st o t a l l y d e p e n d e n t o ni m p o r t s ，t om e e tt h el a r g ed e m a n do fh y d r o g e ns u l f i d ec o r r o s i o nr e s i s t a n tt u b ei n d o m e s t i co i la n dg a sd e v e l o p m e n ti nw e s t e r n a c c o r d i n gt ou s e r sr e q u i r e m e n t sa b o u t l 3 6 0 m bs t e e lg r a d es s a wp i p eh 2 sc o r r o s i o nr e s i s t a n t , t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef o r e i g n c o r r o s i o nr e s i s t a n th 2 sa n a t o m i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dt u b eb u c k l ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n d p u t sf o r w a r dt h er e s i s t a n th 2 ss t r e s sc o r r o s i o np e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fl 3 6 0 m bs t e e l g r a d es s a wp i p ea n dp l a t e t h i sp a p e ra d o p t sp i p e l i n es t e e ll o wc a r b o n , l o wp h o s p h o r u s ，s u l f u r , r e f i n e dg r a i n so f d o m e s t i cs t e e lc o m p a n i e sp r o d u c e d ，m a t c h i n gt e s t sw e l d i n gs t i c ka n dw e l d i n gf l u x ，o p t i m i z e t h ew e l d i n gp r o c e s s ，t h r o u g ht h em e t h o d sl i k eu s i n gm o l d i n gp r o c e s sc o n t r o lr e s i d u a ls t r e s st o c a r r yo u ti n d u s t r i a lr e s e a r c ha n dt r i a lp r o d u c t i o n t h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，i t h a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dl 3 6 0 m b ( x 5 2 ) h y d r o g e ns u l f i d es t r e s sc o r r o s i o nr e s i s t a n ts t e e l g r a d es s a wp i p e ，a tt h es a m et i m et om e e ti s 0 3l8 3 19 9 9s t a n d a r d sa n du s e r st e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s p i r a lw e l d e dp i p e ：a n t i - h y d r o g e ns u l f i d e ：s t r e s sc o r r o s i o n ： e x p e r i m e n t a ls t u d y p a p e rt y p e ：a p p l i e dr e s e a r c h i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：鲨：皇：竺r 日期：毕、“ 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 随着国家西部大开发及中国石油“稳定东部，发展西部”战略的实施，环境保护对 清洁能源的要求进一步提高，天然气进入了大量开发和广泛应用的时代。以西气东输工 程为契机，我国油气管线建设进入了一个全新的发展高峰时期，年产输送管道l1 0 1 3 0 万吨左右【l 】。尤其近年来多条跨国输油、输气管线的建设，对管线钢的品种、规格、质 量等多方面提出了很高的要求。 由于不同地质时代产生的天然气不同程度地含有h 2 s 和c 0 2 成分，特别是气井到集 气站之间的原气输送，输气管道长期处在酸性环境中。由于今后输送的天然气不再是经 脱水、脱h 。s 处理的“甜气，而是未经处理的“富气” 2 1 ，由于介质中的h 2 s 会引起氢 致裂纹( h i c ) 、输送压力和h 2 s 共同作用会引起硫化氢应力腐蚀开裂( s s c c ) ，从而导 致输送钢管的失效【3 1 。普通焊接钢管不具备抗h i c 和抗s s c c 能力，因此，我国的一些 含硫化氢较高的输气管线基本上采用进口的专用u o e 钢管，以保证输气管线的运行安 全。 为了解决抗硫化氢腐蚀用管完全依赖进口的问题，满足国内西部油气开发对抗硫化 氢腐蚀钢管的大量需求。宝鸡石油钢管有限责任公司和国内多家钢铁公司及科研院所合 作完成了国家“八五”攻关项目“石油天然气输送用钢管”课题，使我国的管线钢管级 别和质量均发生了突破性的进展，同时进行了抗腐蚀埋弧螺旋焊管的前期技术调研工作。 西部油气开发需要大量的抗腐蚀焊管，但是这种焊管国内没有生产，研制开发抗腐蚀螺 旋埋弧焊管迫在眉睫。 本文根据用户对l 3 6 0 m b 钢级螺旋埋弧焊钢管抗h 2 s 腐蚀性提出的要求，采用国内 钢铁企业开发的低碳、超低磷、硫、细化晶粒的抗硫化氢管线钢，进行焊丝焊剂匹配试 验，优化焊接工艺，通过成型工艺控制残余应力等方法进行了l 3 6 0 m b 钢级抗腐蚀螺旋 埋弧焊管的工业性研究与试制1 4 1 。 如果成功研制抗h 2 s 应力腐蚀螺旋缝埋弧焊管，可替代进1 ：3 抗腐蚀专用u o e 管， 将为我国酸性油气田的开发提供有力保障，同时填补国内空白，对于我国国民经济的发 展具有重大的经济意义及社会意义。 1 2 项目攻关目标 a ) 开发出具有抗腐蚀性能的管线钢( 配合钢厂进行) b ) 研制开发出满足乌审旗气田集气干线螺旋缝埋弧焊钢管定货技术规格书及 i s o3 1 8 3 3 ：1 9 9 9 标准的l 3 6 0 m b 钢级抗硫化氢应力腐蚀螺旋埋弧焊钢管；进行焊接工艺、 成型工艺研究，使钢管的焊缝、热影响区等各项性能指标达到l 3 6 0 m b 钢级抗腐蚀钢管 西安石油大学硕士学位论文 的要求5 1 。 c ) 实现批量化生产，形成批量供货能力，实现用国产抗硫化氢腐蚀钢管代替进口 的抗腐蚀专用u o e 管的转化，实现抗h 2 s 应力腐蚀钢管的国产化。 1 3 项目主要技术指标 1 3 1 管道输送介质及运行条件 a ) 管道输送介质在正常条件下无游离水，但在事故状态下会有少量的游离水和凝 析油，天然气组成( m o l ) 如下： c h 49 3 8 8 c 2 h 6 0 5 5 6 c 3 h 8 0 0 71 i - c a h l o0 0 8n - c 4 h 1 0 0 0 0 8 i - c 5 h 1 20 0 0 2 h 2 s 0 0 6 5 0 1 c 0 2 5 3 2 1 n 2 0 1 3 2 h e0 0 2 3 b ) 介质温度为1 0 , , - , + 3 5 c ，环境温度为3 4 c ( 极低) 至4 0 。c ( 极高) 。 c ) 管道规格为9 4 5 7 x 7 9 和9 4 5 7 x 9 5 两种，管道设计压力为6 4 m p a 钢级为l 3 6 0 m b ( x 5 2 1 ) 。 d ) 集气管线用螺旋埋弧焊管，必须进行抗硫化氢应力腐蚀( s s c c ) 及抗氢诱导 裂纹( h i c ) 性能检测，而且必须检测合格。 1 3 2 化学成份( ) 化学成分( ) ，见表1 1 。 表卜1 化学成分( x ) 元素名称 cs im npsn b c e q p e r n 备注 3 8 j 。( 乌审旗集气干线技术规格书要求，严于g b t9 7 1 1 3 - - - - 2 0 0 5 i s o 3 1 8 3 3 ：1 9 9 9 标准) 1 3 5 硬度要求 硬度要求，见表1 3 。 表1 - 3 硬度要求 焊缝、热影响区上任一点管体 2 3 5 h v l 0 2 2 0 h v l 0 1 3 6 抗腐蚀性能要求 a ) l 3 6 0 m b ( x 5 2 ) 钢级抗腐蚀螺旋埋弧焊管h i c 性能试验执行n a c et m 0 2 8 4 9 6 管线钢和压力容器钢抗氢致裂纹评估标准【6 】，选用a 溶液，合格极限为： 裂纹敏感率c s r 翌 裂纹长度率c l r 5 15 裂纹厚度率c t r _ 4 ( g b t9 7 11 3 - - - 2 0 0 5 i s o3 1 8 3 3 ：1 9 9 9 标准规定为5 ) b ) l 3 6 0 m b ( x 5 2 ) 钢级抗腐蚀螺旋埋弧焊管的s s c c 试验具体要求和指标如下： l 3 6 0 m b ( x 5 2 ) 钢级抗腐蚀螺旋埋弧焊管的s s c c 性能试验执行n a c et m 0 1 7 7 9 6 金属在h 2 s 环境中抵抗特殊形式环境破裂的实验室检测标准【7 】，选用a 溶液，试验 时间7 2 0 小时、加载应力为规定最小屈服强度的7 2 时，试样在厚度方向没有明显的可 见裂纹。 1 4 技术路线 a ) 收集了解国内外耐酸性介质腐蚀管的技术标准及乌审旗技术条件要求，并通过 解剖耐酸性介质腐蚀直缝埋弧焊接钢管，了解国外产品的化学成分和机械性能指标； b ) 与钢厂合作，以p 、s 含量控制和控轧、控冷技术为主，开发出耐酸性介质腐 蚀卷板； c ) 通过焊丝焊剂匹配试验和焊接工艺参数优化筛选，使实验室平板焊接实验焊缝 满足抗h 2 s 应力腐蚀的要求【町； d ) 通过成型工艺研究，控制钢管残余应力。充分考虑卷板在卷制成型时的变形曲 率、径厚比等因素，采用过变形成型工艺，将钢管的弹复量控制在合理范围【9 1 。 e ) 通过实验室焊接工艺试验、焊丝焊剂匹配试验和生产线成型工艺控制【1 0 】，在生 西安石油大学硕士学位论文 产线进行焊管试制，验证工艺设计方案，提供实物样品，为批量生产奠定基础。通过对 实物钢管的化学成分、力学性能、金相组织及硬度的分析，进行抗h 2 s 性能的试验，综 合分析其是否满足抗h 2 s 焊管的技术要求。 4 第二章项目实施过程及内容 第二章项目实施过程及内容 2 1 信息收集及标准调研 项目主要收集了a p is p e c5 l 美国石油学会标准、美国n a c et m 0 1 7 7 1 9 9 6 、 n a c et m 0 2 8 4 1 9 9 6 标准，g b t 9 7 11 2 1 9 9 9 标准、g b t9 7 1 1 3 - - - 2 0 0 5 i s 03 1 8 3 3 ：1 9 9 9 标准及乌审旗集气干线订货技术规格书等技术资料。 2 2 有关h 2 s 腐蚀机理探究 2 2 1 金属腐蚀的分类 2 2 1 1 根据腐蚀的历程分类1 1 】： 化学腐蚀：指金属表面与非电解质介质直接发生钝化学反应而引起的破坏，腐蚀的 特点是在反应过程中没有电流产生，化学腐蚀服从多相反应的纯化学动力学的基本规律。 电化学腐蚀：指金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏，其特点是在 反应过程中有电流产生，化学腐蚀服从电化学动力学的基本规律。 2 2 1 2根据腐蚀的破坏形式分类【1 2 】： 全面腐蚀：指腐蚀作用均匀地发生在金属表面上，金属腐蚀又可分为均匀腐蚀和不 均匀腐蚀。 均匀腐蚀：指腐蚀作用均匀地发生在整个金属表面上，金属表面上各部分的腐蚀速 度基本相同。例如碳钢在强酸、强碱中发生的腐蚀。钢材在大气中的锈蚀、金属高温氧 化等。 不均匀腐蚀：指腐蚀作用虽然发生在整个金属表面上，但各部分的腐蚀速度相差很 大。 局部腐蚀：指腐蚀作用仅局限在金属表面的某一区域，而表面的其他部分几乎未被 破坏。 2 2 2 腐蚀的危害性 腐蚀的种类多种多样，如果防腐不当，危害性是非常大的。它不仅腐蚀破坏工程结 构中物料的跑、冒、滴、漏会引起环境污染，金属供水管道的腐蚀产物，某些牺牲阳极的溶 解产物和防腐蚀、防污损生物附着的添加剂等进入水和土壤中也会影响生物链，从而直接 或间接进入人体。甚至，建筑材料( 如铜、镀锌钢板和不锈钢屋顶等) 和车辆的腐蚀产物在 雨水冲刷下进入土壤和地表水，同样影响人类的生态环境 1 3 1 。 2 2 3 h 2 s 的腐蚀机理 我国油气资源多数具有高硫、高h 2 s 的特征，一些油气的h e s 含量在1 2 7 8 9 m 3 ， 还含有c 0 2 在1 2 5 - - 4 5 7g m 3 ，管道运行中主要的破坏是氢致开裂( h i c ) 和硫化氢应 西安石油大学硕士学位论文 力腐蚀断裂( s s c c ) ，这是两种最基本的“氢脆，形式【1 4 】。 2 2 3 1 氢致开裂( h i c ) 管线钢在含有h 2 s 、c 0 2 及h 2 0 的油气环境中，因h 2 s 解离和h 2 c 0 3 腐蚀而产生的 氢，浸入钢内并在非金属夹杂物和偏析带聚集，从而形成氢致鼓泡【1 5 】，当氢的压力继续 增高时，小的鼓泡裂纹趋向于相互连接，形成阶梯状特征的氢致开裂。钢中m n s 夹杂的 带状分布会增加氢致开裂的敏感性。氢致开裂的发生也无需外加应力。即： h 2 s _ h s - + 矿 h 2 s 叶s 2 + h 释放出的氢离子是强去极化性，极易在阴极夺取电子，促进阳极铁溶解反应而导致 钢铁腐蚀。其基本反应： 阳极反应：f e f e 2 + + 2 e 阴极反应：2 一十2 e _ 2 h 阳极反应产物：f e 2 + + s 2 。- - f e s 大量的研究表明，影响因素包括环境因素和材料因素，在环境因素中，h 2 s 分压是 最为重要的，并受碳酸跟和氯离子等介质的p h 值制约【1 6 1 。在材料因素中，主要是碳含 量、硫、磷的偏析以及非金属夹杂物、组织类型。归纳起来，h i c 的萌生受非金属夹杂 物总投影长度的影响，而其扩展受m n 含量的控制，通知以氢致开裂敏感系数( c s ) 来 表达， c s - - m n + 0 7 式中p 为非金属夹杂物总投影长度1 7 1 引。 试验证明，固溶氢引起附加应力，外载与附加应力的共同作用，导致钢材在低应力 下脆断，因此必须严格控制m n 含量，并有效控制夹杂物的形状，来提高管线钢的抗h i c 性能。 2 2 3 2 h 2 s 应力腐蚀开裂( s s c c ) 硫化物应力腐蚀开裂是湿硫化氢环境中产生的氢原子渗透到钢的内部，溶解于晶格 中，导致氢脆，在外加应力或残余应力作用下形成开裂。即h 2 s 在水溶液中离解为s 玉 和旷，阳极反应放出的电子被阴极反应的一所吸收，析出氢在钢的夹杂物、偏析带、 位错及其它预先存在的缺陷处富集、形成氢分子，在外力作用下发生断裂【1 9 1 。它通常发 生在焊道与热影响区等高硬度区。 这种断裂的形式需具备三个基本条件，足够的分压，一定的应力状态、以及敏感的 金相组织( 微观精细结构) ，因此s s c c 破坏还具有开裂方向垂直于管面并有延迟的特征。 应力导向开裂是在应力引导下，在夹杂物与缺陷处因氢聚集而形成成排的小裂纹沿 着垂直于应力的方向发展。它通常发生在焊接接头的热影响区及高应力集中区，如接管 处、几何突变处、裂纹状缺陷处或应力腐蚀开裂处等。 6 第二章 项目实施过程及内容 2 2 4 应力腐蚀机理 2 2 4 1 应力腐蚀的条件 应力和腐蚀介质的共同作用是引起腐蚀的条件，破裂则是腐蚀发展的结果，但应力 和腐蚀介质的关系不是加和得关系，而是互相配合对腐蚀起促进作用，换言之，没有应 力的配合，单纯有腐蚀介质或没有介质，单纯有应力作用都不会导致材料的破裂【2 0 】。 2 2 4 2 应力腐蚀的特征 金属在无裂纹、无蚀坑或缺陷的情况下，应力腐蚀断裂过程可分为3 个阶段：萌生 阶段，即由于腐蚀引起裂纹或蚀坑得阶段；接着为裂纹扩展阶段，即由裂纹源或蚀坑到 达极限应力值( 单位面积所能承受最大载荷) 为止的这一阶段；最后是失稳断裂阶段。 前一阶段所受应力影响很小，时间长约占断裂总时间的9 0 ，后两个阶段时间短，为总 断裂时间的1 0 。若在有裂纹的情况下，应力腐蚀断裂过程只有裂纹扩展和失稳阶段。 因此可见，应力腐蚀断裂可能在很短时间内，但也可能在几年后才发生。 2 2 4 3 应力腐蚀的控制 由于盈利腐蚀涉及到材料、应力和环境三个方面，因此控制应力腐蚀的途径，或从 内因入手，合理选材，或从外因入手，控制应力、控制介质等方法采取相对应对策。 2 3国内外抗腐蚀管材的研究现状 文献【2 1 】报道，2 0 世纪8 0 年代以来，随着高浓度c 0 2 、i - t ：s 油气田的相继开发，国际 上已采用高c r 耐腐蚀材料不锈钢管( c r 含量：9 - 1 3 ) ；在含c 0 2 和c l - 共存的严重腐 蚀条件下，采用c r m 1 1 一n 不锈钢作油管和套管，在c 0 2 和h 2 s 共存而且温度较高的严重 腐蚀条件下，采用n i c r 合金或t i 合金作油套管，用以代替一般采用的c m n - m o ( 0 2 - - - 0 4 c 加微量n b 、v 或t i ) 低合金热轧无缝管或高频直缝埋弧焊管( u o e 钢管) 。 文献【2 2 j 报道，进入2 l 世纪，国际上日本、阿根廷、挪威等国家相继开发经济型的耐 腐蚀钢管，日本的新日铁公司研制出抗腐蚀性能良好且熟加工性能好的低c ( o 0 5 ) 1 3 c r - 2 n i 和低c 一1 3 c r - 3 c u 钢，可用于含湿润c 0 2 、少量h 2 s 环境中；日本的川 崎公司成功研制出抗腐蚀钢种：1 2 c r ( o 0 l c + 1 2 c 什5 i n i + 2 m 叶0 0 l n ) 用于c 0 2 、少 量h 2 s 环境中。这几种钢的焊接性能较好，广泛用于油气田和输送管线。我国的宝钢也 正在研究抗腐蚀性能好、价格便宜的低c r 耐腐蚀管线钢。 文献幽】报道，2 0 0 4 年以后，欧洲钢管( 其前身为曼内斯曼钢管) 公司已研制出最高 钢级为x 6 5 的抗h i c 管线钢，最大壁厚达4 1 m m 。其生产的1 3 5 万t 应用于海底输气管 线x 6 5 钢级抗h i c 管线管( 外径9 1 4 m m ，壁厚2 7 2 3 3 1 m m ) ，采用的是超低碳、超低 硫、低锰、低磷的成分设计以降低碳、锰、硫、磷等元素的偏析，通过n b 、v 的微合金 化使其性能很好地满足x 6 5 钢级抗h i c 管线管的要求，并通过n a c et m 0 2 8 4 标准a 溶液( p h = 3 ) 严格的h i c 检验。 7 西安石油大学硕士学位论文 2 4 试验目的 钢材在含硫化氢的水溶液环境中，由于电化学腐蚀使钢内吸收氢，氢原子在钢内夹 杂物或其它微观组织结构等不连续区域聚集并形成分子氢，产生很高压力，从而形成阶 梯型裂纹和( 或) 氢鼓泡，此即硫化物环境氢致开裂( h i c ) 。其中阶梯型裂纹是氢促进 裂纹沿钢材轧制方向扩展，相邻裂纹彼此连接，从而形成垂直于厚度方向的裂纹群缘故 阱】。阶梯开裂和氢鼓泡使管壁或零构件的有效厚度减薄，当其受到外应力作用时，易于 破坏或失效。 钢材在硫化物环境的电化学腐蚀和外加拉伸载荷( 往往低于材料屈服强度) 的联合 作用下，会发生延迟脆性断裂现象，这类破坏称之为钢的硫化物应力腐蚀开裂( s s c c ) ， s s c c 较h i c 更易发生，其造成的后果也更为严重。 为确保硫化物环境中服役的管道、设备的安全性和可靠性，用于制造设备的钢材必 须进行抗硫化物腐蚀性能考核。材料的抗硫化物h i c 和s s c c 性能与材料的成分、冷热 加工工艺、组织结构等因素有密切的关系。本试验的目的就是依据有关标准考核l 3 6 0 钢级石油钢管母材及焊接件焊缝的抗h i c 、s s c c 性能，以便为石油输送管线的安全性 和可靠性提供依据。 2 5 试验方法 2 5 1 抗氢致裂纹( h i c ) 试验方法0 2 5 】 依据美国腐蚀工程师协会n a c e 标准t m 0 2 8 4 9 6 进行试验： a 试样：试样长度为1 0 0 - a = lm m ，宽度为2 0 - a = 0 2m m ，厚度为5 士0 1m m ；表面粗糙 度r a _ 0 8m ；平行试样数目为3 - - 4 件； b 试样清洗：试验以前，每个试样都用丙酮和专用碱性除油剂除油，试样表面达到 完全浸润。试验后，每个试样用去污剂、金属丝刷仔细清洗，以除去试样表面的腐蚀产 物和沉积物。 c 试验装置：试验在图2 1 所示的专用装置中进行，硫化氢利用专用气瓶供给，并 有防返流装置和废气吸收装置。 d 试验条件：本试验使用标准中的b 溶液，即：硫化氢饱和人工海水。实验所使用 试剂是高纯氮、硫化氢和人工海水，人工海水按照标准方法，用蒸馏水和分析纯试剂配 制。溶液体积和试样面积比大于3 m l c m 2 。试验时间规定为9 6 小时，溶液温度保持在 2 5 - 4 - 3 。 8 第二章 项目实施过程及内容 l 硫化氢瓶；卜流量计；3 一捕集瓶；4 试样；s 试验溶液；6 一1 0 氢氧化钠溶液 图2 - 1 抗阶梯破裂( 川c ) 试验装置简图 e 试验步骤：试样窄面向下，用直径6 r a m 的玻璃棒将试样之间、试样与容器壁之 间隔离。试样放入容器后，将预先配置好的人工海水注入容器，尔后密封容器，溶液初 始p h 值为8 2 0 。用纯氮气通入溶液，排除溶液中的空气，通氮时间大于1 小时。然后 将硫化氢气体通入溶液，通气速度为每升溶液每分钟2 0 0m l ，通气时间大于l 小时。待 溶液中的硫化氢含量达到饱和后，通气速度降至每升溶液每分钟lo m l ，以维持溶液的 饱和浓度。试验结束时，测定溶液的p h 值为5 2 。 试样评定：按标准规定用线切割法将试样剖开，并按指定方向检查试样。试样检 查面进行金相抛光处理，然后在1 0 0 倍的金相显微镜下仔细观察抛光面，测量裂纹的有 关几何参量，并按下述公式计算裂纹率： 裂纹敏感率： c s r j ( a x b ) ( w t ) x 1 0 0 ( 1 ) 裂纹长度率： c l r = ( a ) w ) 1 0 0 ( 2 ) 裂纹厚度率： c t r j ( b ) 厂w ) 1 0 0 ( 3 ) 式中：棚纹长度，m m ； 卜裂纹厚度，r a m ； w 试样宽度，r a m ； t - 一试样厚度，m m 。 2 5 2 抗硫化物应力腐蚀( s s c c ) 性能试验方法2 6 l 依据美国腐蚀工程师协会标准n a c et m0 1 7 7 9 6 ( 金属材料在含h 2 s 环境中抗硫 化物应力腐蚀开裂性能试验方法) 进行试验，加载方式采用b 法( 三点弯曲梁) ，腐蚀 溶液为标准中的a 溶液。 a 试样： b 法实验：弯曲试样采用三点弯曲法加载。试样依据标准加工，试样长度为 6 7 3 - 4 - 0 1m m ，宽度为4 6 士0 1m m ，厚度为1 5 士0 0 5m m ；在试样中部对称钻间距为0 7 r a m 9 两寰石油人学硕i 学位论文 的两个通孔。试样表丽粗糙度r a _ 08m ；平行试样数h 为3 5 件。 b 试样清洗： 试验以前，每个试样都用丙酮和专用碱肚除油刺除油试样袁面达到毙伞浸润。试 验后，每个试样用七污荆、金属丝刷仔细清洗，以除去试样袭面的腐蚀产物和沉积物。 c 试验装置： 二点弯曲试样的装置实物圈如图2 - 2 所不。试验装簧示意图与圈l 相似。硫化氢利 用专用气瓶供给，并有防返流装置和废气吸收皱置。试样与任何其它接触物之间利川玻 璃管和刚玉球进行电绝缘，以避免接触腐蚀和缝隙腐蚀的发乍。 d 试验条件： 木试验所世j _ | j 丁作介质是高纯氮、硫化氢饱和含冰乙酸( 浓度为05 ) 的5 氯化 钠水溶液。l 川水溶液配置方法：将5 0 9 的氯化钠和5g 的冰己酸溶解于9 4 5g 蒸馏水 中，初始陵度值调整到p h 约等于3 0 ，试验结束时，p h 值不大于4 5 。溶液体积和试样 面积比人j 2 0 m l c m 2 。试验时f r q 规定为7 2 0 小时，溶液温度保持在2 4 ：3 c 。 囤22 三点弯曲加载实物照片 试验均在问规定的初始应力下进行本试验规定的初始戍力值为：2 6 0 m p a ( 3 6 0 m p a x 07 2 ) 。 e 试验步骤： 将清洗过的试样及夹具按要求装央，弯曲粱法预先按规定应力位加载。将试样连同 央具起放进试验容器中，固定好密封装置：将预先除过氧的腐蚀溶液注满实验容器。 然后采用排水沾排除容器中多余的溶液，容器上部留出1 0 2 0 m m 高的气层空间，并再 敞通氯除溶液中的残余溶解氧l h 。除氧完毕，将硫化氢气体通入溶液，通气速度为每 升溶液每分钟2 0 0 m l ，通气时间l h 。待溶液中的硫化氢含量达到饱和后，通气速度降至 母升溶液每分钟1 0 m l 以维持溶液的饱和浓度j 。井记录试验”始的时m 。 试样破坏的检测： 对f 弯曲法( b 法) 寅验，在7 2 0 小时实验结束后，打外容器取出试样，仔细清洗 后川1 0 倍放人镜观察，仔细检查表面是否有明显的裂纹存在。 第二章项目实施过程及内容 2 5 3 试验内容 2 5 3 1 抗氢致开裂( h i c ) 实验： a 卷板母材：炉号1 2 7 3 9 5 ；卷号：2 2 1 7 0 0 7 0 0 。材料的化学成分、机械性能等见表 2 1 、表2 - 2 。试样取向：母材纵向、横向。 表2 - 1 卷板母材的化学成份 化学成份w t 钢材炉批号 cs im nps f e 1 2 7 8 9 50 0 7 lo 2 l 0 90 0 0 80 0 0 1 余量 表2 - 2 卷板母材力学性能 i 钢材炉批号o s m p a o b m p a 6 5 0 a k j 屈强比 1 2 7 8 9 54 7 15 4 04 51 0 1 o 8 7 b 在线生产管材( 钢管母材) ：材料同上。共3 组试验。 第l 组：管号5 0 0 3 4 ，炉号1 3 2 3 3 5 ； 第2 组：管号5 0 1 2 8 ，炉号1 3 2 3 3 6 ； 第3 组：管号2 5 ，炉号1 3 2 3 3 8 。取样方向为轴向。 c 共计5 组试样。 2 5 3 27 抗硫化氢应力腐蚀( s s c c ) 实验： a 焊速1 5 m m i n 、焊丝焊剂匹配三种( 编号分别为l 号、2 号和3 号) 。共三组试 样。每组平行试样为5 个。 b 焊接工艺研究： 焊接工艺试板：焊速与焊剂匹配的正交试验，编号分别为4 号、5 号、6 号、8 号、9 号、l o 号、2 0 号、2 l 号。共8 个匹配，即8 组试验。 补焊工艺试板：试验组2 5 号( 单面焊) 、2 6 号( 补焊) ，共2 组。 卷板母材试验：试验组横向、纵向，共2 组。 以上试验组总数为：1 2 组。平行试样为3 个。 c 在线生产管材检验： 共3 组试验，均检查焊缝区抗s s c c 性能。 第l 组：管号5 0 0 3 4 ，炉号1 3 2 3 3 5 ： 第2 组：管号5 0 1 2 8 ，炉号1 3 2 3 3 6 ； 第3 组：管号2 5 ，炉号1 3 2 3 3 8 。 所有焊缝试样的取样部位为：以焊缝为对称中心，三点弯曲试样长向垂直于焊缝， 且处于板厚度的中部位置。卷板母材试样也取自板材的厚度中部。 西安石油大学硕士学位论文 2 6 国内和进口焊管解剖分析 为了进一步了解宝鸡钢管公司普通的x 5 2 钢级螺旋埋弧焊管与进口埋弧钢管的抗硫 化氢腐蚀性能的情况，分别对进口日本的一根x 5 2 钢级中4 5 7 x 6 3 m m 抗酸性介质腐蚀直 缝埋弧焊接钢管，和宝鸡钢管公司生产的普通型x 5 2 钢级9 5 0 8 7 9 m m 螺旋埋弧焊管( 管 号为5 0 8 0 2 # 、炉号为w c 2 1 0 7 1 4 ) 进行了解剖分析。 2 6 1 化学成分分析结果 2 6 1 1 化学成分分析结果( 见表2 3 ) 表2 - 3 化学成份分析结果 分析 化学成份( w t ) 材料 部位 c s im npsn ic rc un bvt im oa l x 5 2 母材0 0 30 2 31 1 20 0 1 20 0 0 10 0 2 80 0 7 90 0 2 80 0 2 9 o 0 1 00 0 1 60 0 0 90 0 0 4 u o e 焊缝 0 0 50 2 51 1 lo 0 1 50 0 0 40 0 2 60 0 5 l 0 0 3 l0 0 1 8 0 0 1 0o 0 3 10 0 7 70 0 0 5 x 5 2 母材 0 0 80 2 l1 1 40 0 1 5o 0 0 4o 0 1 60 0 9|0 0 2 00 0 0 8 0 0 40 0 9 | 螺旋埋弧 焊缝0 0 9 o 3 l1 1 l0 0 1 70 0 0 6o 0 80 0 60 0 20 0 1 8 0 0 0 40 0 2 0 1 30 0 0 4 焊钢管 2 6 2 拉伸试验结果 2 6 2 1 拉伸试验结果( 见表2 - 4 ) 表2 - 4 母材及焊缝的拉伸试验结果 屈服强度抗拉强度伸长率 材料试样类别 是否合格 ( m p a )( m p a )( ) 钢管母材横向 4 3 5 35 3 1 43 4 6合格 x 5 2 钢管母材纵向 4 5 1 15 1 0 73 5合格 u o e 焊接接头 5 5 2 5合格 x 5 2 钢管母材横向 4 5 55 3 53 3合格 螺旋埋弧钢管母材纵向 4 5 25 0 53 5合格 焊钢管 焊接接头 5 4 9合格 2 。6 3h i c 试验结果 2 6 3 1h i c 试验结果( 见表2 - 5 ) 第二章 项目实施过程及内容 表2 - 5x 5 2 钢级u o e 、螺旋埋弧焊管母材和焊接接头的h i c 数据 裂纹敏感率裂纹长度率裂纹厚度率 焊管类型分析区域 c s r ( )c l r ( )c t r ( ) 钢管母材平均值 o0o x 5 2 u o e热影响区平均值 0 0 41 3 9 1 1 8 焊缝平均值 00o x 5 2钢管母材平均值0 0 41 7 o 5 螺旋埋弧热影响区平均值 0o 0 焊钢管焊缝平均值0oo 从上表中的h i c 试验数据可以看出，x 5 2 钢级u o e 焊管、螺旋埋弧焊钢管的焊缝 区的裂纹敏感率c s r 、裂纹长度率c l r 、裂纹厚度率c t r 均为零，螺旋埋弧焊钢管 的管母和u o e 管的热影响区的h i c 平均敏感率不同程度的出现了裂纹，但是，都没有 超出标准所规定的范围。总的来说，u o e 、螺旋埋弧焊钢管的c s r 、c l r 、c t r 也都满 足q 、s 1 5 、s 5 的标准要求。 2 6 4x 5 2 钢级u o e 焊管母材和焊接接头的s s c c 试验结果 2 6 4 1试验结果，见表2 _ 6 、2 7 。 表2 - 6x 5 2 钢级u o e 焊管管母硫化氢应力腐蚀破裂( s s c c ) 数据 应力水平载荷断裂时间 试样编号 0 弘 pn t f r a i n 备注 4 1 41 1 05 9 4 06 3 0 4 0 89 55 1 3 05 6 3 0 4 0 79 04 8 6 06 5 5 0 4 0 28 04 3 2 01 4 6 9 0 4 0 47 54 0 5 0 4 3 2 0 0 未断 4 0 67 54 0 5 04 3 2 0 0 未断 4 0 57 23 8 9 24 3 2 0 0未断 表2 - 7x 5 2 钢级u o e 焊管焊接接头的硫化氢应力腐蚀破裂( s s c c ) 数据 应力水平载荷断裂时间 试样编号 pn t f m i n 备注 i ，。 5 0 8l o o5 4 0 02 1 4 0断熔合区 5 0 79 55 1 3 02 6 8 0断熔合区 5 0 3 8 54 5 9 02 8 9 5 0 断熔合区 5 0 l8 04 3 2 04 3 2 0 0未断 5 0 98 04 3 2 04 3 2 0 0未断 5 0 27 84 0 2 44 3 2 0 0 未断 5 l l7 8 4 0 2 4 4 3 2 0 0未断 两安石油人学硕i ：学位论文 从表2 - 6 、表2 7 的试验数据可以看出，在u o e 钢管母材的s s c c 试验中，试验时间 7 2 0 小时试样加载应力为o7 5 s 时，试样在厚度方向没有可见裂纹。 试验时间7 2 0 小时，试样加载应力为08 s 时试样在厚度方向也投有可见裂纹。 2 6 5 普通x 5 2 螺旋埋弧焊钢管的s s c c 试验结果 为了全面地了解普通x 5 2 螺旋埋弧焊钢管的抗硫化氢应力腐蚀的性能，s s c c 试验 分别采用拉伸加载、三点弯曲、四点弯曲的加载方法进行。 ( a ) 拉伸加载试验结果 在7 2 0 小时实验后，宏观检查所有试样( 共4 件) 外表面，发现其中一个试样表面 出现较明显的单侧开裂性缺口( 靠近母材区) ，且以一定的倾角向纵深发展，应力松弛约 为初始施加应力值的3 0 。其它3 个试样均束发现开裂现象，应力松弛在1 0 - 2 0 。实 验后将其中2 个应力松弛较明显的试样机械托断其缩颈现象显著( 断面收缩率在 7 0 8 0 ) ，试样断裂强度值无明显变化，试样表面发生均匀腐蚀( 如图2 - 3 所示) 。 囤235 0 a 0 2 # l g 钢管缝医拉伸加载s s c c 试样形虢 ( b ) 三点弯曲加载试验结果 7 2 0 小时实验后，宏观检查( 利用1 0 倍放大镜) 所有试样( 共4 个试样) ，均未发 现开裂现象，试样表面发生较明显的腐蚀( 如图2 - 4 所示) 。去除腐蚀产物后进一步观察， 仍未发现开裂现象。 ( c ) 四点弯曲加载试验结果 第一章项目实施过程及内容 图255 0 8 0 2 # 钢管焊缱区四点弯曲加载5 s c c 试样形貌 1 5 西安石油大学硕士学位论文 2 7 国内和进口焊管解剖分析结论 a ) 普通x 5 2 螺旋埋弧焊钢管的化学成分s 含量轻微超标，其余元素含量基本符 合要求； b ) 普通x 5 2 螺旋埋弧焊钢管的力学性能满足乌审旗集气干线技术规格书的要求； c ) 两种钢管的h i c 试验满足n a c et m 0 2 8 4 9 6 标准规定的裂纹敏感率c s r _ 2 、裂纹长度率c l r _ 1 5 、裂纹厚度率c t r 5 的指标； d ) 进口日本的u o e 直缝埋弧焊管的抗s s c c 腐蚀性能：经过7 2 0 小时腐蚀试验 后，钢管母材的s s c c 临界值达到了0 7 5 s ，焊接接头的s s c c 临界值达到了0 8 3