夹杂物对X120管线钢氢致开裂的影响.pdf

第 30 卷 第 2 期 2010 年 4 月 中国腐蚀与防护学报 J ou rnal of C h inese So eietyf o r C orrosio n an dP roteetion V bl 30N o 2 A Pr 20 10 夹杂物对 x 12 0 管线钢氢致开裂的影响 镇 凡 刘 静 黄 峰 程吉浩 李翠玲 1 武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室 2 武汉钢铁 集团 公司研究院 武汉 430080 郭 斌 2徐进桥 武汉 430081 摘 要 研究了 X 12 0管线实验钢的抗 H ZS 氢致裂纹敏感性 用多功能金相显微镜对 X 12 0管线实验钢非金 属夹杂物进行颗粒度分析 用场发射扫描电子显微镜 SE M 及能谱仪 E DS 观察和分析裂纹形貌和裂纹内夹 杂物 结果表明 X 12 0管线实验钢氢致开裂一般都从非金属夹杂物处萌生扩展 并互相交叉连接 实验钢中 B 类夹杂物较 D 类夹杂物易于形成长条型裂纹 且 B 类夹杂物级别越高 其 H IC 敏感性越大 X 12 0管线钢中 S A l含量越高 其夹杂物级别越高 非金属夹杂物数量越多 氢致开裂敏感性也越大 关键词 X 120 管线钢夹杂物氢致开裂 中图分类号 T G 172文献标识码 A文章编号 1005一 4537 2010 02一145一 06 1前言 随着我国石油天然气工业的不断发展 油气田 钻采逐步向西南部和海上进展 钻采油层深度增加 但许多油田的油气都含有 H ZS 例如 四川罗家寨油 井 油气中的 HZS 含量高达 1 5 18 川东油田讲 渡线输气管道输送的油气中 HZs 含量达 1 I l HZS 是石油和天然气中最具有腐蚀作用的有害介质之一 虽然目前油田已对油 气进行了净化处理 但是当净 化处理不善时 则会严重地影响着油气输送管线的 使用寿命 z l 石油天然气需求量的迅速增加 使得发展更高 强度级别的管线钢变得更为迫切 X 12 0高强度管线 钢可以提高管线的输送压力 节约运输成本 然而 由于管线钢 的管壁减薄 对其耐腐蚀安全性有了更 高的要求 因此优质的管线钢不仅要具有高强度 高 韧性 优良的焊接性能还要有优良的抗氢致裂纹 H IC 性能 3 4 H 工 C 是输油输气管线主要失效形式之一 影响 H IC 的因素很多 就材料本身而言 主要是钢 的成 分 组织以及非金属夹杂物的数量和形状等因素 对 某一特定钢种来说 除了工艺因素的影响外 夹杂物 的影响是最主要的 阁 本文对实验室试制的不同化 学成分的 x l2 0高钢级管线实验钢进行了抗氢致裂 纹实验 初步分析了夹杂物对 X 12 0 管线钢抗氢致开 裂性能的影响 为其工业现场生产提供理论依据 2实验方法 实验材料为实验室试制的 3 种不同成分的 x l 2 0 管线实验钢 采用同一 T M C P therm om eehanieal eon t rolproeess 工艺轧制 其化学成分列于表 i 金相试样经磨制 机械抛光后用 4 硝酸酒精溶 液侵蚀 用 Axi o P l an 型 ZE I SS 金相显微镜观察分析 其显微组织 试样经过机械抛光 夹杂物应保存完好 不经侵 蚀在金相显微镜上放大 10 0倍观察并拍照 把试样 上夹杂物最严重的视场与标准级别图片比较来评定 其等级 结果是用每个试样每类夹杂物最恶劣视场 的级别数表示 钢 中非金属夹杂物的评定方法参照 GB T 10561一 2005 标准 将 3 种 x iZo 管线实验钢在 金相显微镜下定量分析夹杂物的含量 并在颗粒度 分析软件下进行统计 H IC 敏感性实验依据 G B 8650一 2006 标准进行 试样为 10 0 x 2 0m m x 1 0 的长条试样 如图 1 所示 测量不同成分管线实验钢在 N A C E 标准 A 溶液中腐蚀 9 6h 后的裂纹长度率 C LR 裂纹宽度 率 C T R 和裂纹敏感率 C SR 定稿 日期 荃金项目 作者简介 20 09一 11一 25 国家 自然科学基金资助项 目 50871077 镇凡 男 1985 年生 硕士生 研究方向为金属材料的 强韧化及抗腐蚀性研究 刘静 E m ail w kdl i u 126 eom 裂 纹 长 度 率 c LR一 歌 1 0 0 裂 纹 宽 度 率 c TR一 孕 1 0 0 裂纹敏感率 C SR 二艺 a x b WX T x 100 式中 a 为裂纹长度 m m b 为裂纹宽度 m m W为 146 中国腐蚀与防护学报 30卷 几 bl e 1 Chem i ealc o m po s itions o f e x ve r i m e n t alX 120 pipe l i ne steel s m 翎 E x Peri m en t al N o C51M nM oP5A I C u N i N b C r T i 八n 叮 n 7曰0 0 n 一1 1 n U n U C C U U 0 0 33 0 0 36 0 0 33 0 29 0 3 0 0 30 2 0 0 2 0 0 1 9 9 0 3 1 0 3 7 0 4 2 0 0 09 0 0 0 08 9 0 0 07 5 0 00 5 0 0 2 2 0 0 0 6 m iC r0 C0 n t e l l t m iCt0 C0 n tel l t m i e ro C0 l l t en t 付肠 幼H 1 孟 自j n 习 习 习习l l l l l l l 一一一一 一一一一 l l l l l l l 土 口 r o l li n g d i r e 曲o n F ig 1Speei m en s汤e m m and il lustra t i on of related in sP e c t i n g P rof i le F ig 2W ld th a n d th ic k n ess o f th e era ek 几 b le 2C rac kdetail s ofinsp e c ti ng pr o f ile i n sp e c im en eX Peri m en t a leracki ng in s P eetingC SRC LRC T R 两 statu sprof ile 1 w orsel一 11 6 1 12 5 9 8 12 0 85 1一 2000 1一 3000 a v era g e0 5 3 78 6 600 6 95 2 w or s tZ一 113 8 8 6 6 5 96 610 5 25 2一 21 6 23 425 79 83 1 93 2一 3000 a v era g e5 169 8 3 0 5 884 57 3 3找w orse3一 10 2 2 314 7 480 75 6 3一 21 6 592 9 9 4 71 8 4 5 3一 3000 a v erag eo 6 2710 0 240 8 6 7 试样宽度 m m T 为试样厚度 m m 如图 2 所示 在测量裂纹长度和宽度时 把距离小于 0 5 m m的 两条或两条以上的裂纹均看作一个裂纹 距边缘 1 0 m m 之内的裂纹可以不涉及在 内 在金相显微镜下放 大 10 0 倍能识别的裂纹均计算在内 3结果与讨论 3 1实验钢 H IC 敏感性 一般认为 6 当 C sR 三 1 5 e L R 三 15 e T R 三 3 时 材料对 H 工 C 不敏感 由实验测得的表 2 可 知 2幼 试样对 H IC 很敏感 l 3挂 试样对 H xC 不敏 感 3 组 X 1 2 o 管线实验钢抗氢致裂纹敏感性的顺序 是 l廿 3拢 2炸 3 2金相组织观察 图3 为 HIC 实验前 3 组 X 12 0 管线实验钢的金 相组织 可以看出其均为板条贝氏体 3 组试样中奥 氏体晶粒被明显压扁 沿轧制方向呈拉长的 饼形 结构 平行的贝氏体板条束占据饼形晶粒的整个厚 度 贯穿于整个晶粒 奥氏体晶粒厚度决定了贝氏体 束的尺寸 且与奥氏体晶界呈一定角度分布 1 与 3 试样饼形结构的片层尺寸细小 板条束长度较小 亚 结构较细 图 3 a c 2 试样片层间距较大 其贝氏 体板条束较长 板条较大 图 3b 热力学平衡且稳定的细晶粒组织是抗 H I C理想 组织 H I C易出现于带状组织及板厚中心 M n P 等 元素的低温转换组织 I v 图 3 的金相结果表明 3 组 试样均为贝氏体组织 原奥氏体晶粒被明显拉长 但 无 M n P 等偏析带存在 2幼 试样组织较 1林 3林 粗 大 这可能是导致 HIC 敏感性增大的原因之一 3 3夹杂物观察与评级 图 4 所示为 H IC 实验前夹杂物图 图 4 a中夹 杂物为 1 5 级的 D 类球状氧化物类夹杂 夹杂物有 带角或圆形的 形态比小 长度与宽度比小于 3 无 规则分布的颗粒 在光学金相显微镜下观察为黑色 或带蓝色的颗粒 图 4 b C 中为 B 类夹杂物 其为氧 化铝类 夹杂物大多数没有变形 带角的 形态比小 一般小于 3 沿轧制方向排列 根据国标 GB T 10561一 2005 将 3 组 X 120 管线 实验钢的非金属夹杂物照片与标准图谱对比 得到 非金属夹杂物评级结果 如表 3 所示 3 4夹杂物颗粒度分析 图 5 所示为 HIC 实验前 3 组 X 12 0 管线实验 钢中非金属夹杂物尺寸分布图 可以看出 2廿 试样的 夹杂物数量最多 其次是 3林 1 的夹杂物数量最少 其中夹杂物尺寸主要集中分布在 2 m 5 户 m 对照 HIC 敏感性实验结果发现 非金属夹杂物 的数量越多 发生氢致开裂的敏感性越大 2 试样 中 2 5个视场内夹杂物颗粒总数接近 70 0个 其氢 致裂纹敏感性也最大 这说明非金属夹杂物的含量越 高 发生 HIC 所需氢浓度的门槛值越小 导致 HIC 敏感性增大 l l 3 5夹杂物对氢致裂纹萌生的影响 钢在湿 H ZS 气体环境中 通过 电化学腐蚀反应 氢离子在阳极获得电子而变成氢原子 一部分氢原 2 期 镇 凡等 夹杂物对X 120 管线钢氢致开裂的影响 147 F i g 3 O P t ic a lphotog r aph aof experim en t al X 120 P i pel ine s t e e S th edi re c tion of the a r ro w15 th e ro i l i 鳍 d i re c ti on a 印e c i m e nl甘 b 印 ec im e n Z气 e spe c i m e n3 F馆 4N on m eta l l i c inel u s i n n Photog r aPh sof X 120 PI P el i ne exP erlm enta ls t eel s a s pe c i m en i b spe c i m en Z气 e spe c im e n 3 l h b l e3T h e g r a de of n on meta l l i e I n e l u s i o n旧 子通过金属表面 深入基体 内部 电极反应如下 阳极 F e F e 2 Ze B tyPe g r a de 0 5 DtyPe g r ade 1 5 2 2 1 S U O 工 S 乃 二U 一 O 一一工月 O E U O U 节 口口E U n 阴极 田 十e一 H 吸溯 旧溶侧 2 有研究者 I s 例认为 位错是氢陷阱 夹杂物是氢 的强陷阱 在轧制过程中位错密度会增加 位错周 围 的弹性应力场将与 H 原子交互作用形成 C o t t r e l l气 团 而位错又能带动气团一起运动 当异号位错相遇 时 位错消失 这时位错上氢气团中的氢将被附近 的 陷阱所捕获 造成局部的氢浓度升高 非金属夹杂物 与金属基体 的界面能强烈吸附氢原子 当带氢位错 在运动中遇到更强的氢陷阱非金属夹杂物时 位错 就会把氢留在陷阱中 以便绕过障碍继续运动 这也 6 qua la r e a d 川 e d 的叮拍te r o f no n一 m et a l l七 i n d u 翻匕n sl脚 F i g 5D is t ri b u ti o nm a Po f th en o n 刃 e t all ie i n clu si o n s o f X 12 0 P IP el i n eex P e r i m e毗 a lS t e el 148中国腐蚀与防护学报3蜷 F ig 6SE MPhotog r a Ph Sof th enonm eta j li e inelu si on si nthe specim en bef o re t玩 mete s t a spee加en i气 b s pe c i me n Z雌 b o S p e ctr U ml n 乡 s u 日u 一 形成了氢的局部富集 因此 非金属夹杂物 特别是 长条状的 M n S 周围氢压很高 尤其是夹杂物尖锐 处 夹杂物与基体界面的结合强度相对较弱 当夹杂 物顶端的氢压升高到大于临界值时就会沿夹杂与基 体的界面萌生裂纹 然后沿着夹杂物拉长的方向扩 展 同时在裂纹顶端就出现局部塑性变形区 随着氢 压的增大 这些裂纹能向前扩展或互相连接 当两个 平行的裂纹靠得很近时 裂纹间的相互干涉较大 容 易使裂纹弯曲而成台阶状的裂纹 因此氢致裂纹在 夹杂物处形核的概率较大 陈l 0 为了进一步探讨非金属夹杂物对 H I C裂纹萌生 的影响 对 H I C 实验前 X 12 0 管线实验钢中夹杂物 做 SEM 观察和 E DS 分析 图 6 可知 l找 试样中深 色长条型夹杂物为 A1 20 夹杂 周围浅色夹杂物物 主要为M ns 图 6 a 2舫 试样中夹杂物为A 1 2O3夹杂 且沿轧制方向排成一行 图6b 班C 实验后 用 SEM 观察断面裂纹 并对裂纹 内夹杂物化学成分进行 ED S 能谱分析 其中2林 实验 钢结果如图 7所示 1 实验钢中 S 元素含量较高 A l元素含量几 乎可忽略 且其断面裂纹内部夹杂物主要为 M n S夹 杂 2雌 实验钢中 A l含量较高 其断面裂纹内夹杂物 1 2 3 均为 A 120 3 夹杂 其中夹杂物 1 的成分能 谱如图 7 所示 3 实验钢中 S 含量最低 A l含量 偏低 其裂纹中夹杂物为 A bO 3和 M nS 的混合型夹 杂 实验中观察到的 3 组实验钢中裂纹内夹杂物主 要为 A 1 2O 3 和 M nS 表明氢致裂纹 H l c 主要萌生 于 A 1 2O 3 或 M nS 等非金属夹杂物与基体的界面 这 与文献 侧 报道结果一致 硫化氢溶液中产生的氢原子通过金属表面 深 入基体内部 氢原子在金属内部沿轧制方向在非金 属夹杂物处聚集 并结合成氢分子 产生巨大的内压 力 当氢浓度很高时 夹杂物处的氢压可以超过材料 的断裂强度 即使不存在残余应力也可形成氢致裂 纹 t 结合 X 12 0 管线实验钢夹杂物分析结果 3 组实 验刚中均无长条型M nS 夹杂 2材 实验钢中B 类氧化 铝类夹杂物达到 2 5 级 其夹杂物排成一长串 当氢 原子在夹杂物与基体界面处富集到一定浓度时 则 形成开裂裂纹 裂纹在排成串的氧化铝类夹杂物间 扩展 极易连接成为长条裂纹 而 1林 实验钢中主要 为 1 5 级的 D 夹杂 其分布较为无规则 虽在夹杂物 处形成微裂纹 但夹杂物与夹杂物间分布较无规律 导致微裂纹间不易相互连接 难于形成大的长条裂 纹 3牡 实验钢中夹杂物为 1 级的 B 类夹杂和 1 级的 D 类夹杂 B 类夹杂物周围裂纹进行扩展时 虽易 形成长条裂纹 但由于其 B 类夹杂级别较低 夹杂 物串的长度较短 使得其裂纹长度受限 可见 B 类 10123456 1ener g y lkeV F i g 7 SEM a a n d ED S b ofth e in sP 喊 m en Z 789 i n sP eetin geraek s 2 期 镇 凡等 夹杂物对X 12 0管线钢氢致开裂的影响 149 夹杂较 D 类夹杂易于形成长条裂纹 B 类夹杂物的 级别越高 其裂纹扩展后 相互连接形成的裂纹就越 长 HIC 敏感率就越大 4结论 1 X 1 2 0 管线实验钢中氢致裂纹倾向于在非金 属夹杂物 A i Z0 3 或 M nS 处萌生 2 X 1 2 0 管线实验钢中 裂纹易于在排成串的 夹杂物间进行扩展 并相互连接成长条裂纹 对于分 布较无规则的夹杂物 其夹杂物周围裂纹难于相互 连接 故 B 类夹杂物较 D 类夹杂物易于形成长条型 裂纹 且 B 类夹杂物级别越高 其 HI C敏感性越大 3 X 1 2 0 管线实验钢中S A l 含量越多 非金属 夹杂物 M nS 和 A 1 2O 3 数量越多 则实验钢 H I C 敏 感性越大 抗 HI C性能越低 参考文献 i LIN LiC G T a ng Z T et a l Dev e l opmon t ofan t i 一 H ZS eorrosion li nepipe I J Ste e lPi pe 2005 34 5 13一 17 李呐 李晨光 汤智涛等 抗 HZS 腐蚀管线管的开发 s 钢 管 2005 34 5 13一 17 2 Zha n g Y Ca i Q W Xie G Y Innuence ofm i cros t ruc tu r e o n H IC r e sista nee in H ZS eon t aining so lu tio n sof h ig h s t reng t h pi pel i ne steelX 65 X70 J Corros Sei Prot T e c h nol 2007 19 6 406一 409 张雁 蔡庆伍 谢广宇 显微组织对 X 65 X 7O 管线钢抗 H ZS 性能的 影响 J 腐蚀科 学与防护技 术 2007 一 9 6 40尽 409 3 W 乙 ng Y K M a t erialofhigh pre s surega s pi pel ine and re l a t ed probl em s I J W 匕 l ded pi peT u be 2000 23 3 84一 88 王仪康 高压输气管线材料和相关问题 1 5 1 焊管 2 0 0 0 23 3 84一 88 4 LiY T D u Z Y 厂 Iho Y Y etal H 州ro罗介in d ueed eraek ofdom esti eX 70 pi pel i ne steel s J 升ans Chi na W 匕 l ding In s t 2004 25 5 10小108 李云涛 杜则裕 陶勇寅等 国产X70 管线钢及其焊缝的氢致 裂纹 J 焊接学报 2004 25 5 10今105 5 Li u S Zhang Y R Han J J e t a l Ef f e ct ofinel usion on 16M nR steelpl a t e resi stanee to HIC J Pressure V e ssel T e c h nol 2001 18 2 20一 22 刘生 张一任 韩金节等 夹杂物对 1 6 M nR HIC 钢板抗氢致 开裂的影响 J 压力容器 2001 18 2 20 22 6 Ji a n g F Ra O W Dev e l opm en t i n the pr e s sure ste e lmade v e ssel a ndeo rr osio nP rev en tionu nd er sou r en viro nm en t J Na t Ga s Ind 1999 1 9杏 97 姜放 饶威 酸性环境中压力容器用钢及腐蚀防护新发展 1 天然气工业 1999 1 9今97 7 Y i n C X Lan X Z Li u W et al T he H IC experim en t al resea r c h ofthe hi gh streng t h g留pi peli n e ste e l J Chi na P et Maeh 200 3 3 1 8 一 11 尹成先 兰新哲 刘伟等 高强度天然气输送管抗氢致开裂试验 研究 J 石油机械 2003 31 8 11 8 Lv J H Gua nX J X u H Q e t a l In l l uenee off a etorson re s i stanee of l o w al l o ysteel s to c o rrosi on i nduee d妙 H ZS J Corros Sei Prot T e ehnol 2006 18 2 118一 121 吕建华 关小军 徐洪庆 影响低合金钢材抗 H ZS 腐蚀的因素 J 腐蚀科学与防 护技术 2006 18 2 118 121 1 9 Zhou Q JiG S Zha n g JB eta l Theef f e ctof ulf ideson h y dro罗n i ndueed eraeki ngofpi pe l i n este e l J J M ater E ng 2002 9 37 39 周琦 季根顺 张建斌等 管线钢中的硫化夹杂物与氢致开裂 I J 材料工程 2002 9 37 39 110 R e n X C Chu WY LiJ X et al Inf iuenee ofi nel usi on s on initi a t i on ofh y dro罗n bli ster i n i ron J Aeta M etal l Si n 2007 43 7 673一 677 任学冲 褚武扬 李金许等 夹杂对氢鼓泡形成的影响 1 5 金 属学报 2007 43 7 673一 677 下转第154 页 154中国腐蚀与防护学报 30卷 1 8 Beel eW Czec h N Q ua d akk e rs W J eta l Lon于 term o x i da t i on testson are一 eon t a i ni ng M CrAI Y eoa t i ng J Surf Coat T e ehnol 1997 94 95 41一 45 91 O tsuk a N R a pp R A Ef f e ctofeh r om a t eandv a nada t ea n i o n s o nthe hot eo r r o si on ofPreo x i di zed N i妙 a thin h i se d N匆504f il m a t 900 J J El eetroehem Soe 1990 137 5冬60 10 Johnson J B Nic h oll sJ R Hurs t R C etal Th e m echan ieal pr o p er t ies o fsu r f a ee sea l e o nnlckel一 b a s e suP era l loy s n Con t am ina t eeorr o sion Jl Corros Sei 1978 18 543 553 111 M eK eeD W shore s D A Lurthra K L The ef f e ctof50 2 a n d N aC Ion hi g ht二 per a tur e hot eorr o si on J J E l e c troc h em Soe 1978 125 3 411一 419 12 X i ongY L W bod 5 A E即eri m en t aldeterm ina t i on ofthe so l ubil i t yof R eO Z a nd the dom i na n t 喇 da t i o n s t a t e of rheni u mi n 坷droth e rm alsol u t i on s J Chem G e o l 1999 15 8 245一 256 13 K a r una r a t n eMS A R e e dRC In t erdi f fbsi on of the P la t in u m grouPm etal sin n i ekel a televa te dtem P era t u re J Aeta M a t er 2003 51 2905一 2911 141 Liu C T Sun x F Gua n H R e t al Ef f e c t ofrhenium a d d ition to a n iekel b a s e sin gl ecrysta lsuP era l lo yon lsoth e r m aloxi da t i on of the al um i n i de eoa t i ng Jl Surf Coa t T ech nol 2005 194 111一 11 8 E F F E C TO FR e O NT H EH O T 一 C O R R O S IO NB E H A V IO RO FA N IC rA IYO V E R L A YC O A T IN G W E I H ua H U A N G Liang LIA N G Ji叼 ing SU N X ia j o f e ng G U A N H eng r ong H U Zh u a n gq i 孔por a l f o 众v幼 乞 on I n st tot e o f M et alRese a 二h C h 云neso Ac a de o f s c enc e s S h e 夕 a时 110 0 1刃 A bstraet A rei on pl a t i ng A lp w a su s ed to produee NI CrAI Y a n d N I Cr A I Y Re o v er l盯 eoati n郎 Af terl ieat trea t m en t in v a cuum both ofth aeoa t in g s eonsisted of守 一 N i3A I 甲 一 N i 口 一 N IA Ia n d a 一 C r R ein the N IC rA I Y R e eoa t i n g ex i sted i n a 一 C r a nd P rom oted the PreeiPita t i on an d therm al sta b ili ty of a 一 C r T he exis t enee of a 一 C r i n the in t erf a ce of eoa t i n gan d substrate l o w ere deoef f i eien t of the r m a le x Pa n si on a n d th us r e du eed th e r ma l stress in th est i r f a C e sea l e 汕Pro v ing a d herenee ofth eseal e T he a d dition of R eob v iou s l y inerea s ed ho teor r osi on resista n ee of N IC rA I Yin 90 N aZSO 4 10 m a s s K ZSO 4 K e yw ord s N IC r AIY h ot eo r ro s ion A IP 上接第 149 页 E F F E C TO FT H EN O N ME T A L L ICIN C L U S IO N S O NT H EH IC B E H A V IO RO FX 1 2 0 P IP E L IN ES T E E L ZH E N F减 nl L IU Ji嗯1 H U A N G F e ngl C H E N G Jihaol Ll C ui l ingl G u o B i nZ x U Jinq i a o Z 1 K e Labo to印f o rF e 二 5M etal 她 哪 and Re our c es U t 乞 l i z at该 on o f 城ni s 亡 印 o f Edocat io氏 W Uhan 琉 云 e 该 勿 o f s c 葱 enee aod T e ehnolo g 夕 认 八 乙 ha 不 口 0081 忍 R esea二h A eade 环 恤入 an lr o n and Steel G r o 即 C o 印or a t 乞 o 腼 han 不 0080 A bstra c t T h eev e 卜i nerea s i