高强度管线钢的抗氢致裂纹性能 - 图文-

1、第20卷第12期2008年12月钢铁研究学报Journal of Iron and Steel ResearchVol.20,No.12December 2008作者简介:李云涛(19712,女,博士;E 2m ail :transramble ;修订日期:2008205223高强度管线钢的抗氢致裂纹性能李云涛1,2,杜则裕2,孙娈芬3,4,陶勇寅5(1.天津理工大学材料科学与工程学院,天津300191;2.天津大学材料科学与工程学院,天津300072;3.河北石油管道技术学院,河北廊坊065000;4.中国石油管道学院,河北廊坊065000;5.中国石油天然气管道科学研究院,河北廊坊0650

2、00摘要:耐蚀性是影响管道可靠性的重要因素,其中氢致裂纹是管道的失效形式之一。笔者依据NACETM0284296HIC 试验标准,对不同组份、不同成形工艺的管线钢的抗氢致裂纹性能进行了测试,研究了珠光体组织偏析带及C 、Mn 、S 元素对管线钢氢致裂纹性能的影响。结果表明:随珠光体偏析带组织的产生,管线钢抗氢致裂纹性能下降;碳含量增加,将增强氢致裂纹敏感性;同时,Mn 、S 易造成低温组织、夹杂物和聚合物的偏析,将导致管线钢氢致裂纹敏感性的增强。关键词:管线钢;氢致裂纹;带状组织;合金元素中图分类号:T G 142文献标识码:A 文章编号:100120963(20081220050205R e

3、sistance to HIC of High G rade Pipeline SteelsL I Yun 2tao 1,2,DU Ze 2yu 2,SUN L uan 2fen 3,4,TAO Y ong 2yin 5(1.School of Materials Science and Engineering ,Tianjin University of Technology ,Tianjin 300191,China ;2.School of Materials Science and Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072,Chin

4、a ;3.College of Petro Hebei Vocation Technology ,Langfang 065000,Hebei ,China ;4.College of Petro Pipeline China ,Langfang 065000,Hebei ,China ;5.Pipeline Research Institute of CN PC ,Langfang 065000,Hebei ,China Abstract :Corrosion resistance play an important role in the reliability of pipeline st

5、eels ,and HIC (Hydrogen In 2duced Cracking is one of failure forms for pipeline.The standard NACE TM0284296was adopted to study HIC of pipeline steels with different chemical composition and different fabrication method.The effect of pearlite bands and C ,Mn ,S on HIC was discussed ,the more the pea

6、rlite bands ,the lower the resistance to HIC ,and HIC will develop along the banding microstructure.Moreover ,with the increase of elements C ,Mn ,S ,the resistance to HIC will be decreased ,meanwhile ,Mn and S easily form inclusions ,segregation bands that will lead to HIC.K ey w ords :pipeline ste

7、els ;HIC ;banding microstructure ;alloying element随着国民经济的快速发展,不仅对能源的需求量越来越大,同时能源结构也发生了变化。从而使输气管线在整个管道工程中所占比例不断增加。耐蚀性是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素。它不仅造成油、气、水的泄漏损失,停工停产造成的损失,维修所带来的材料和人力上的浪费,而且天然气管道因腐蚀引起的爆炸将威胁人身安全,污染环境,后果极其严重。因此,对管线钢不仅要提出高强度、高韧性以及优良焊接性能的要求,还要对抗氢致裂纹(Hydrogen Induced Cracking HIC 性能提出严格的标准。目前,国内输

8、气管线钢多采用X52、X60、X65和X70,西气东输工程普遍采用X70管线钢。由于不同输气管线因建设年代不同,受当时钢材冶炼和钢管成形技术的限制,所采用的管线钢不同,因此钢管的力学性能指标和抗腐蚀性能指标有很大的不同。即使输气管线采用的是同一级的钢管,但由于钢管来源比较复杂(有的用进口钢卷板在国内制管,有的用国产钢卷板在国内制管,因此各种钢管不仅力学性能指标存在较大差异,而且其抗腐蚀性能,尤其是抗HIC性能的差异很大。测试常用管线钢抗H IC的性能不仅可以了解国内现在使用及运行的和即将投入使用的输气管线的抗HIC性能的优劣,对国内管线钢的抗H IC性能做出全面评价,还有利于指导新建管线的选材

9、,也有利于国内管线钢向高强度、优良的抗HIC性能方向发展。为此,笔者测试了不同成分、不同来源管线钢抗HIC的性能,并讨论了组织、元素对HIC性能的影响14。1氢致裂纹试验111试验评估通常,HIC评估5,6按照NACE TM0284296试验方法评价管线钢的抗H IC性能。裂纹敏感率=(ab/(wt100%裂纹长度率=(a/w100%裂纹宽度率=(b/t100%式中,a为裂纹长度,mm;b为裂纹宽度,mm;w为试样长度,mm;t为试样宽度,mm。由上式可知,衡量材料抗H IC能力的主要依据是裂纹敏感率。因为裂纹敏感率即反映了材料在厚度方向HIC的情况,同时又体现了材料在轧制方向抵抗H IC的能

10、力。裂纹敏感率平均值越大,说明材料对H IC越敏感;如果裂纹敏感率值接近或等于零,则表明材料抗HIC的能力就越大。112试验条件及过程11211试验条件试验材料一部分为X70管线钢卷板,一部分为不同成分的X70管线钢钢管。它们的化学成分(质量分数分别列于表1和表2。在每块试验材料上取3个尺寸为100mm20mm21mm的试样,以求其试验结果的平均值。制作试样时,试样边缘不得保留涂层或切割的热影响区,每块试样的6个面均用320号金相砂纸打磨并除油,再经丙酮清洗后放在干燥器内保存,在24h内开始试验。试验时间96h,试验温度(25表1X70管线钢的化学成分T able1Ch emical comp

11、osition of X70pipeline steels%钢材卷板试样类型C Si Mn S PX7021母材试样0106012411460100301014X7022母材试样0107012811390100101011表2管线钢的化学成分T able2Chemical composition of pipeline steels%钢管编号C Si Mn S P1011001281115010040010152010901321124010060010133010601301127010016010114011201341145010170010113,试验溶液为NACE TM0284296

12、的A溶液,即5%NaCl+015%C HC3OO H+饱和H2S水溶液。11212试验过程试样放置在容器中(宽面处于垂直位置,每组平行试样为3块,彼此用直径不小于6mm的玻璃棒或非金属棒隔开,灌入配制好的试验溶液,将容器密封并通入氮气,以驱除容器内的空气。氮气通入量为Q N2=100mL/minL(溶液,至少维持1h。待空气吹扫完毕后,通入H2S气体,最初以每分钟每升溶液200mL H2S的速度饱和60min,然后改为维持量,即每分钟每升溶液10mL H2S。气体均应通入到容器的底部,从通H2S饱和的60min开始计时。溶液与试样总表面的比值不低于3mL/cm2。试验结束后,截取截面制作金相试

13、片,抛光后用金相显微镜观察腐蚀后的断面裂纹。为了更清晰的观察,部分试样经4%的硝酸酒精轻侵蚀,同时借助高倍显微镜来区分氢损伤裂纹和钢中夹杂物及其它表面缺陷之间的差别。试验后求其平均裂纹长度率、裂纹宽度率和裂纹敏感率,并进一步对较严重的氢鼓泡进行微观测试。2试验结果试验结果见表3和表4,测试结果示于图1图5。3分析讨论导致H IC产生的因素有2个79:第1个是钢材从环境中吸收的氢含量,它受钢材冶金因素和使用环境等因素的影响;第2个为钢材产生HIC的最低极限氢含量w(H,它取决于钢材的冶金因素。当w(Hew(H时,H IC才会发生。影响HIC的因素很多,本文仅讨论带状组织、C、Mn及S元素对其的影

14、响。311带状组织对氢致裂纹的影响从表3可见,X7021板卷头部和中部的裂纹长度率、裂纹宽度率和裂纹敏感率均为零,而尾部的裂15第12期李云涛等:高强度管线钢的抗氢致裂纹性能表3X 70管线钢HIC 浸泡试验结果T able 3R esults of HIC for X 70pipeline steel钢材卷板浸泡后表面状态试样编号HIC 性能/%裂纹敏感率裂纹长度率裂纹宽度率位置X7021无氢鼓泡1000板卷头部无氢鼓泡2000板卷中部氢鼓泡较严重3014119121107板卷尾部平均值011461400136X7022有小氢鼓泡1000板卷头部有小氢鼓泡2000板卷中部无氢鼓泡 3000板

15、卷尾部平均值表4管线钢HIC 浸泡试验结果T able 4T esting results of HIC for pipeline steels钢管试样编号HIC 性能/%裂纹敏感率裂纹长度率裂纹宽度率钢管试样编号HIC 性能/%裂纹敏感率裂纹长度率裂纹宽度率111平均值013201290131013171277127711871241167117111651168222平均值0160015101620158151201419015109151061141113811421140333平均值011301130116011451195108511351130160016701590162444平

16、均值0174017701690173151381512115143151341192118921021194(a 接近板卷中部;(b 板卷尾部图1X 7021管线钢板卷的带状珠光体组织Fig 11B anding pearlite microstructure of X 7021纹长度率为1912%,裂纹宽度率为1107%,裂纹敏感率为0141%。另外,尾部还存在严重的氢鼓泡;X7022板卷的头部、中部和尾部的裂纹长度率、裂纹宽度率和裂纹敏感率均为零。金相组织测试结果表明,X7021板卷有明显的带状珠光体组织(图1,而X7022板卷中没有此现象。因为氢致裂纹多起源于偏析的带状珠光体组织,在显微

17、镜下观察到氢致裂纹沿偏析带扩展,其走向与偏析带几乎重合。图2是氢鼓泡较严重的试样宽面的照片。将鼓泡点沿试样轴向垂直表面剖开,金相观察可见,鼓泡点下是相应的平行于试样表面的氢致裂纹,鼓泡越大,裂纹越长(图3。从图4可看出裂纹不断扩展、连接,最后形25钢铁研究学报第20卷 (a氢鼓泡尺寸较大;(b氢鼓泡尺寸中等图2氢鼓泡较严重的试样宽面照片Fig12Morphology of hydrogen blister成台阶状氢致裂纹。312化学元素对氢致裂纹的影响从表4得到4HIC性能的裂纹长度率和裂纹敏感率按大小排列顺序为:4号2号1号3号。此排列顺序反映了4种管材HIC 敏感图3氢鼓泡剖面裂纹特征Fi

18、g13Sectional feature of hydrogen blister图4台阶状氢致裂纹Fig14H ydrogen induced cracking图5沿硫化物夹杂形成的裂纹Fig15Cracking morphology formed along sulf ide性的大小。碳是管线钢的主要固溶强化元素。从表2和表4可以看出,随碳含量增加,HIC敏感性增强。锰和硫易形成MnS夹杂物,而硫化物夹杂易形成氢致裂纹(从表2和表4可以看出,4号管线钢的锰、硫含量较高,所以H IC敏感性较强。图5为沿长条状硫化物夹杂形成的氢致裂纹。借鉴图610可以看出夹杂物含量与发生HIC所需氢临界含量的关

19、系。夹杂物越多,发生HIC所需氢浓度的临界含量越低。英国气体协会学者通过研究得到H IC敏感性指数与钢中锰含量的关系式,即:C S=w(Mn+Q/7式中,C S为HIC敏感性指数;Q为全部非金属夹杂物的影射长度。此式反映了锰含量对HIC的影响。理论认为,硫化物等非金属夹杂物量降低,可以减少氢原子聚集源及氢分子的形成源,提高抗氢致裂纹的能力。35第12期李云涛等:高强度管线钢的抗氢致裂纹性能图6夹杂物含量与发生氢致裂纹所需氢浓度门槛值的关系Fig16R elationship of inclusion content tocritical H content for HIC4结论(1试验结果表明

20、,X7021管线钢板卷头部和中部的裂纹长度率、裂纹宽度率和裂纹敏感率均为零,而尾部的裂纹长度率为1718%,裂纹宽度率为0198%,裂纹敏感率为0139%;X7022管线钢板卷头部、中部和尾部的裂纹长度率、裂纹宽度率和裂纹敏感率均为零。这说明X7021比X7022板卷材料的H IC敏感。(2金相组织分析可知,X7021管线钢板卷有明显的带状珠光体组织,氢致裂纹易在偏析的带状珠光体组织上起源,并沿偏析带扩展,裂纹走向与偏析带几乎重合,表明钢中的带状组织对HIC十分敏感。(3对于强度级别较高的管线钢,随钢中C、Mn、S元素含量的增加,H IC敏感性相对较高。参考文献:1苗承武.西气东输工程及其管线

21、钢的选择J.焊管,2000,23(3:26.2潘家华.西气东输工程J.焊管,2000,23(3:21.3Lyer R N,Takeuchi I,Zamanzadeh M,et al.Hydrogen Su2lifide Effect on Hydrogen Entry Into Iron2a Mechanistic StudyJ.Corrosion,1990,46(6:466.4王仪康.高压输气管线材料和相关问题J.焊管,2000,23(3:84.5G B8650.881989.管线钢抗阶梯型破裂试验方法.6NACE TM0284296NACE International1990Evaluation ofPip