X80M螺旋縫埋弧焊管抗HIC性能分析

孫 宏，宗秋麗，鄭青昊，王 慧，唐春華

中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司華油鋼管公司 （河北 青縣 062658）

通過(guò)微合金化及熱機(jī)械軋制工藝結(jié)合，高強(qiáng)度高韌性的X80管線鋼管得到了廣泛的應(yīng)用?？刂茪渲麻_(kāi)裂（HIC）性能為油氣輸送鋼管的重要性能指標(biāo)之一，抗HIC性能良好的鋼種可以應(yīng)用于酸性服役環(huán)境。氫致開(kāi)裂是指當(dāng)氫原子在鋼材的內(nèi)部缺陷處聚集形成小的鼓泡裂紋后，隨著內(nèi)部氫分子的壓力增高，小裂紋趨向于相互連接形成有階梯狀特征的氫致開(kāi)裂。氫致開(kāi)裂裂紋分布平行于軋制方向。這種破壞基體連續(xù)性的缺陷，給管道運(yùn)行安全帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患[1-3]。API Spec 5L的附錄H規(guī)定了酸性服役用輸送鋼管的技術(shù)要求，其最高鋼級(jí)為X70MS，該規(guī)范附錄還詳細(xì)規(guī)定了酸性服役用輸送鋼管的化學(xué)成分、性能等[4]。對(duì)于非酸性服役環(huán)境條件的鋼管，尤其是原油管線，部分規(guī)范也規(guī)定進(jìn)行HIC性能試驗(yàn)，結(jié)果供參考。

1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

為了解非酸性服役條件用X80鋼級(jí)輸送鋼管的抗酸性性能，對(duì)某批次的X80M鋼級(jí)Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊鋼管的HIC性能進(jìn)行了測(cè)試，總計(jì)6組試樣。取樣包括管體橫向（包括距焊縫90°和180°位置）及焊縫橫向位置。試驗(yàn)方法為NACE TM0284—2011，試樣脫脂方法為丙酮，試驗(yàn)溶液采用B溶液，B溶液的試劑為用于除氧的氮?dú)狻⒘蚧瘹錃怏w和人工海水，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為96 h。其中典型的004#試樣試驗(yàn)后距焊縫90°和180°位置的母材及焊縫位置的壁厚中心部位出現(xiàn)裂紋，HIC性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。另外，部分試樣的壁厚中心以外的位置也發(fā)現(xiàn)了裂紋。

表1 004#試樣的HIC試驗(yàn)結(jié)果

該6組試樣的試驗(yàn)結(jié)果表明，B溶液抗HIC試驗(yàn)結(jié)果不理想，焊縫的試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于母材。

2 分析討論

表1說(shuō)明，該X80M鋼管管體的HIC試驗(yàn)結(jié)果為：距管體90°及180°的裂紋長(zhǎng)度率(CLR)分別達(dá)到了52.824%與48.760%，裂紋厚度率(CTR)分別達(dá)到了1.636%與1.836%，裂紋敏感率(CSR)分別達(dá)到了0.921%與0.683%。焊縫的CLR、CTR及CSR分別為8.301%、6.140%及0.446%。參考API Spec 5L(45版)附錄H：酸性服役條件PSL2鋼管的訂購(gòu)。當(dāng)在A溶液(環(huán)境)(見(jiàn) ISO 15156-2：2003，表8.3)進(jìn)行評(píng)估抗氫致開(kāi)裂的試驗(yàn)時(shí)，各試樣的3個(gè)截面的各個(gè)最大允許平均比率應(yīng)符合下列驗(yàn)收極限：①CSR≤2%；②CLR≤15%；③CTR≤5%。采用spectro lab m9直讀光譜儀對(duì)004#試樣的母材和焊縫進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。對(duì)母材進(jìn)行金相組織分析，其顯微組織為GB+PF+P。

對(duì)裂紋試樣按照?qǐng)D1所示的壓痕位置進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋處的硬度值與試樣其他區(qū)域的硬度沒(méi)有明顯差異。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 004#試樣母材的化學(xué)成分 /wt%

表3 004#試樣焊縫的化學(xué)成分 /wt%

圖1 硬度測(cè)定位置圖

表4 裂紋試樣的維氏硬度值(HV10)

將經(jīng)過(guò)HIC性能試驗(yàn)的004#試樣拋光后在OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，照片如圖2。再經(jīng)過(guò)4%硝酸乙醇浸蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，照片如圖3。沿裂紋分布著較大尺寸的TiN夾雜物，并且TiN夾雜物的分布與裂紋擴(kuò)展一致。采用日立S-3400N型掃描電鏡對(duì)開(kāi)裂處的夾雜物進(jìn)行分析，裂紋中心處能譜分析照片如圖4。裂紋中心處能譜結(jié)果顯示存在C、O、Ca、Cl、Na、Al、Mg、Si、Sb元素。其中Cl和Na應(yīng)為溶液的殘留元素。能譜分析還顯示了O元素和Al元素的存在，這2種元素在鋼中一般的存在形式是氧化鋁夾雜物。其他夾雜物為Al、Ca、Mg、Si、O復(fù)雜夾雜物。研究表明，X80鋼的氫致開(kāi)裂和夾雜物之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)[5]。另外，裂紋試樣的斷面硬度值并不高，且裂紋處的硬度值與試樣其他區(qū)域的硬度沒(méi)有明顯差異。非金屬夾雜物應(yīng)該是造成X80M鋼管的管體HIC值偏大的主要因素。

圖2 試樣顯微照片

圖3 試樣顯微照片（4%硝酸乙醇浸蝕）

圖4 裂紋中心處能譜分析

3 結(jié)語(yǔ)

該批X80M鋼管的母材存在較大尺寸的TiN非金屬夾雜物及其他非金屬夾雜物。因此，非金屬夾雜物應(yīng)該是造成該批鋼管的管體HIC值偏大的主要因素，提高鋼的潔凈度，降低其中的非金屬夾雜物是提高X80M鋼抗HIC性能的重要途徑。