X65管線鋼抗硫化物應力腐蝕開裂性能研究

郎豐軍　黃先球　龐　濤　馬　穎　崔　雷　李利巍

(武鋼研究院　湖北　武漢：430080)

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X65管線鋼抗硫化物應力腐蝕開裂性能研究

郎豐軍黃先球龐濤馬穎崔雷李利巍

(武鋼研究院湖北武漢：430080)

摘要研究了化學成分和軋制工藝不同的4個批次X65管線鋼抗硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)性能，結(jié)果表明，應力加載大小對X65管線鋼抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能影響較小，試樣抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能與其微觀組織密切相關(guān)。X65管線鋼斷口存在氫致裂紋，X65管線鋼SSCC(四點彎曲)是以陰極氫脆機制為主的應力腐蝕，氫致開裂(HIC)破壞機理占主導作用，影響X65管線鋼抗HIC腐蝕性能的因素同樣影響其抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能。

關(guān)鍵詞氫致開裂；硫化物應力腐蝕開裂；X65管線鋼；腐蝕；硫化物

在輸送酸性油、氣時，管道內(nèi)部接觸H2S。H2S是石油和天然氣中最具有腐蝕作用的有害介質(zhì)之一，常常引起油氣管線硫化物應力腐蝕開裂(Sulide Stress Corrosion Cracking,SSCC)，造成災難性事故。SSCC是指受拉伸應力作用的金屬材料在硫化物介質(zhì)中，由于介質(zhì)與應力的作用而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。它是在外加應力和腐蝕環(huán)境雙重作用下發(fā)生的破壞[1-2]。常用的SSCC腐蝕試驗方法有四點彎曲法和拉伸試驗法，其中四點彎曲法廣泛用于抗酸管線鋼出廠性能檢測?，F(xiàn)今，國內(nèi)外X65強度級別抗酸管線鋼已經(jīng)得到推廣應用，因此研究X65管線鋼抗SSCC性能具有重要意義。

本文對不同化學成分和軋制工藝的X65管線鋼抗SSCC(四點彎曲)性能進行研究，分析了硫化物應力腐蝕開裂的形成原因。

1實驗方法

實驗采用4個批次X65管線鋼，板厚為15mm，化學組成見表1，軋制工藝見表2。4個批次鋼屈服強度均大于450MPa，力學性能見表3。試驗按照ASTM 39-99和ISO 7539-2-1989標準的規(guī)定進行[3-4]。沿鋼板軋制方向取4爐鋼SSCC試樣各4件，共16件，依次編號。試樣尺寸為110mm×15mm×5mm。試樣表面經(jīng)機床精磨加工，最后經(jīng)1000#砂紙手工打磨。試樣的脫脂方法為丙酮、無水乙醇先后進行超聲波清洗。測試溶液類別為標準中的A溶液(5%NaCl+0.5%CH3COOH)，初始pH值為2.60，藥品級別為分析純，N2、H2S純度為99.99%。通入N2以除去溶液中的氧氣。除氧后，通入H2S氣體，1小時后保持H2S氣體正壓。測得飽和H2S濃度為2490 ppm，溶液pH值為2.71。通過恒溫水槽控制試驗溫度在24℃。試驗時間為720小時。試驗結(jié)束后測定pH值為3.34。

表1　X65管線鋼試樣化學成分(/wt%)

表2　X65管線鋼試樣軋制工藝

表3　X65管線鋼試樣力學性能

SSCC試驗結(jié)束后，試樣表面經(jīng)800#砂紙打磨，放大10倍通過肉眼觀察裂紋是否存在，判斷試樣有無開裂。

SSCC試驗應力加載采用四點彎曲，四點彎曲夾具結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。四點受力試樣中部(兩內(nèi)部支撐點之間)外部纖維的彈性張力的計算公式如下：

σ=12Ety/(3H2-4A2)

(1)

式中，σ為最大拉伸應力，E為彈性模量，t為試樣厚度，y為最大撓度，H為外部支撐點間距離，A為內(nèi)部支撐點間距離。

圖1　四點彎曲夾具結(jié)構(gòu)示意圖

2實驗結(jié)果

X65管線鋼SSCC(四點彎曲)試驗評定結(jié)果見表4。從評定結(jié)果可以看出，4-1、4-4、5-1三件試樣在720小時測試過程中發(fā)生了斷裂。SSCC試驗后宏觀照片見圖2。從照片中可以看出4-1、4-4、5-1試樣斷裂，其余試樣未斷裂。

表4　X65管線鋼SSCC評定結(jié)果

圖2　SSCC試驗后X65管線鋼表面宏觀照片

對SSCC試驗后試樣斷裂表面觀察，可以發(fā)現(xiàn)氫致鼓泡。當橫截面在氫致鼓泡上時，打磨橫截面后觀察，可以觀察到較為明顯的氫致裂紋。SEM觀察4-1和5-1試樣斷裂表面(見圖3)，從圖中可以看出，4-1試樣斷口彎曲外側(cè)存在氫致裂紋，5-1試樣斷口由一些細小的窩坑構(gòu)成。EDS能譜分析5-1試樣斷口，斷面含S、Cl、O、Fe元素。

圖3　X65管線鋼斷裂表面SEM圖

3討論

從X65管線鋼SSCC腐蝕試驗評定結(jié)果中，可以看出，A274試樣在0.72、1.0應力加載率下發(fā)生斷裂，A275試樣在0.72應力加載率下發(fā)生斷裂，應力加載大小對X65管線鋼抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能影響較小。這是因為硫化物應力開裂(SSCC)是以陰極氫脆機制為主的應力腐蝕，外加應力為試樣提供了應變狀態(tài)，試樣發(fā)生斷裂與試樣微觀組織關(guān)系密切。

管線鋼在酸性油、氣環(huán)境中以陰極氫脆機制為主時，陰極反應析出的氫進入鋼中，并在夾雜物界面、晶界、偏析區(qū)、位錯等缺陷處富集形成氫分子。氣態(tài)氫形成的氫壓致使材料脆性開裂[5]。在發(fā)生應力腐蝕開裂的4-1試樣內(nèi)部(圖3a)，可以觀察到，靠近邊緣附近存在氫致裂紋，這說明氫致鼓泡對X65應力腐蝕開裂有較大影響。5-1試樣斷口能譜分析結(jié)果顯示斷面含S元素，可能是發(fā)生開裂位置含有硫化物夾雜，硫化物夾雜的存在會使試樣發(fā)生氫致開裂(HIC)破壞。因此，X65管線鋼SSCC(四點彎曲)腐蝕中HIC破壞機理占主導作用，影響X65管線鋼抗HIC腐蝕性能的因素同樣影響其抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能。

4結(jié)論

應力加載大小對X65管線鋼抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能影響較小，試樣抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能與其微觀組織密切相關(guān)。X65管線鋼斷口存在氫致裂紋，X65管線鋼SSCC(四點彎曲)是以陰極氫脆機制為主的應力腐蝕，氫致開裂(HIC)破壞機理占主導作用，影響X65管線鋼抗HIC腐蝕性能的因素同樣影響其抗SSCC(四點彎曲)腐蝕性能。

參考文獻

[1]高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京:中國石化出版社,2012:1-3.

[2]張鵬程,唐荻,武會賓等.X80級管線鋼硫化物應力腐蝕開裂研究[J].材料保護,2008,41(7):10-12.

[3]ASTM G39-99. Standard Practice for Preparation and Use of Bent-Beam Stress-Corrosion Test Specimens[S].

[4]ISO 7539-2-1989. Corrosion of metals and alloys-Stress corrosion testing-Part2: Preparation and use of bent-beam specimens [S].

[5]Lopez H F, Bharadwaj R, Albarran. Role of heat treating on the sour gas resistance of an X80 steel for oil and gas transport[J]. Metall Mater Trans A,1999,30:2419-2428.

(責任編輯：李文英)

Research on Sulfide Stress Corrosion

Cracking Resistance of X65 Pipeline Steel

LANG FengjunHUANG XianqiuPANG Tao

CHENG PengMA YingCUI Lei, LI Liwei

(Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:Sulfide stress corrosion cracking (SSCC) resistance of 4-batch X65 pipeline steel with different chemical composition and rolling technology was investigated in this paper. The results showed that effect of stress load on the X65 pipeline steel anti SSCC (four point bending) corrosion was less, SSCC resistance of 4-batch X65 pipeline steel was correlated with microstructure. Hydrogen induced crack was a kind of observed on the fracture of X65 pipeline steel. X65 pipeline steel SSCC (four points bending) was stress corrosion with cathode hydrogen embrittlement mechanism, hydrogen induced cracking (HIC) mechanism of fracture played a major role , influencing factor of HIC corrosion also affected SSCC corrosion.

Key words:hydrogen induced cracking; sulfide stress corrosion cracking; X65 pipeline steel; corrosion; sulfide

作者簡介：郎豐軍(1984～)，男，碩士,工程師.E-mail： langfengjun@126.com

收稿日期：2015-08-31

中圖分類號：TG174.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-3524(2015)04-0005-03