李 軒,劉道新,徐子鵬,白真權

(1.西北工業(yè)大學腐蝕與防護研究室,西安710072;2.中國石油天然氣集團公司石油管材研究所,西安710065)

·試驗研究·

形變與殘余應力對管線鋼氫致開裂行為的影響

李 軒1,劉道新1,徐子鵬1,白真權2

(1.西北工業(yè)大學腐蝕與防護研究室,西安710072;2.中國石油天然氣集團公司石油管材研究所,西安710065)

為探討管線鋼服役過程中和性能檢驗時引入的塑性變形及殘余應力對鋼的氫致開裂(HIC)敏感性行為的影響,選用低強度的X52鋼和高強度的X80鋼進行了試驗研究,探討了力學因素和焊接組織對管線鋼的HIC敏感參數(shù)測試結果的影響,并利用電子探針分析了成分偏析對 HIC成因的影響。結果表明,管線鋼的HIC敏感性與顯微組織、化學成分偏析及應力狀態(tài)有密切的聯(lián)系;鋼的形變和殘余應力狀態(tài)對其 HIC敏感性的影響依賴于鋼的固有 HIC敏感性大小,鋼的固有HIC敏感性愈高,形變和殘余應力的影響愈為顯著;從鋼管上直接取樣進行 HIC試驗評價更能揭示管線鋼固有的HIC敏感行為,采用機械展平法制備試樣進行HIC敏感性檢驗則可能會引起誤判后果,尤其是對于小口徑管線鋼。

管線鋼;氫致開裂;殘余應力;形變

管線鋼在含H2S的酸性油氣環(huán)境中,由于電化學腐蝕使鋼內吸收氫,氫原子在鋼內微觀組織結構不連續(xù)區(qū)域聚集,形成階梯形裂紋和/或表面氫鼓泡,即為氫致開裂(HIC),由此導致管壁的有效厚度減薄,服役性能降低。隨著石油天然氣工業(yè)的快速發(fā)展,長壽命、高安全性的石油和天然氣開發(fā)及輸運愈來愈重要,因此要求油氣管線鋼必須具備良好的抗HIC性能,這一要求目前已納入國際標準和國家標準對油氣鋼管交貨的技術條件[1]。

油氣輸送焊管是由熱軋卷板經(jīng)過成型焊接和精整等過程制成的,其內部不僅有焊接殘余應力,而且也有成型內應力,同時在服役過程中要經(jīng)受地震、滑坡、泥石流、水土流失等各種因素的影響,這些因素都會造成埋地管線鋼產(chǎn)生形變,并且會引入一定的內應力。另外,管線鋼HIC敏感行為的試驗評價標準[2-3]規(guī)定,鋼管試樣坯料可以通過機械方式展平后進行HIC評價試驗。但在實際操作時,為了制樣方便也常常先采用機械方法將鋼管展平,爾后再機械加工成標準的平整試樣。顯然,機械方法展平鋼管的過程會人為造成試樣永久性塑性變形,在試樣內部引入殘余應力,并且管徑愈小,塑性變形量和殘余應力愈大,這樣必然會導致HIC敏感性的試驗結果與管線鋼固有的 HIC行為出現(xiàn)差異。目前,對成分、組織結構、強度級別、焊接工藝和環(huán)境因素等影響管線鋼 HIC敏感行為的研究較為廣泛[4-5],但針對形變及殘余應力對管線鋼 HIC行為影響的研究尚很少見報道。為確保管線鋼的安全使用和科學合理地評價管線鋼的HIC敏感行為,研究形變及殘余應力對管線鋼HIC敏感行為的影響規(guī)律十分必要。本文選擇低強度級別的X52和高強度級別的X80管線鋼,探討形變與殘余應力對管線鋼HIC敏感行為的影響規(guī)律。研究結果表明,形變和殘余應力對管線鋼硫化物環(huán)境應力腐蝕開裂(SSCC)行為有重要的影響[6]。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用X52鋼試樣分別取自焊管和平板材料,鋼管尺寸為?38 mm×3 mm;X80鋼試樣取自焊管,鋼管尺寸為?1 219 mm×18.4 mm。2種焊管的焊接方法均為高頻電阻焊(ERW),其化學成分和力學性能分別如表1～2。

表1 X52和X80管線鋼化學成分 wB%

表2 X52和X80管線鋼力學性能

1.2 試樣

為了研究形變和殘余應力對管線鋼 HIC行為的影響,試樣采用直接從X52和X80鋼管上取樣和先用機械方法展平造成管材形變再機械加工的方式取樣,為了對不同強度級別管線鋼的橫向比較,大口徑X80管線鋼加工成與小口徑X52管線鋼相同的曲率試樣后再展平,機械展平的X52管線鋼試樣尺寸為100 mm×20 mm×2 mm,X80管線鋼為100 mm×15 mm×10mm,如圖1。

在機械展平試樣的長度方向分別取沿母材軸向方向和沿焊縫方向2種方式的試樣,先從管子上切取毛坯,然后用液壓機壓平,再機械加工、精磨。對X52鋼管內、外表面精車、精磨,然后截取成環(huán)狀試樣(如圖1a);X80鋼管按圖1b方法切取毛坯,再機械加工、精磨制成。

為了探討變形和應力狀態(tài)對管線鋼 HIC敏感性的影響,再用X52鋼板直接制作對比試樣,尺寸為100 mm×20 mm×2 mm,采用4點彎曲法施加0.95σs的應力進行 HIC試驗,并與同等條件不受力試樣進行對比。

所有試樣表面粗糙度Ra≤0.8μm,平行試樣取3件。

1.3 HIC試驗與敏感性評定

HIC試驗參照美國腐蝕工程師協(xié)會標準NACE TM0284—2003[2]進行,試驗介質用 5% NaCl+0.5%冰醋酸水溶液,H2S氣體通入維持飽和,溶液初始p H為3.5,溶液溫度25℃±3℃,試驗周期為96 h。

圖1 HIC試樣取樣方法

試驗結束后取出試樣仔細清洗,觀察試樣表面的氫鼓泡現(xiàn)象,并按規(guī)定方法進行剖面和機械拋光,在金相顯微鏡上放大100倍進行觀察,測量HIC裂紋敏感系數(shù)。用裂紋敏感率(CS R)、裂紋長度率(CL R)、裂紋厚度率(CTR)來評價 HIC敏感性,其定義分別為

式中,a為裂紋長度,mm;b為裂紋寬度,mm;W為試樣寬度,mm;T為試樣厚度,mm。

1.4 殘余應力測試

為確定管線鋼機械展平形變在試樣中人為引入的殘余應力大小,采用日本 D/max2200型X射線衍射應力分析儀對用機械壓平法制作的試樣表面殘余應力進行測試。

1.5 微區(qū)成分分析

采用日本J XA-8100型電子探針對HIC試樣進行微區(qū)成分分析,儀器工作參數(shù)為:電壓15 kV,電流1×10-8A,束斑1μm。

2 試驗結果與討論

2.1 形變對HIC行為的影響

對HIC試樣宏觀觀察表明,X52管線鋼表面存在明顯的氫鼓泡現(xiàn)象;X80管線鋼直接取樣的試樣表面無明顯氫鼓泡現(xiàn)象,但在存在殘余拉應力的機械壓平試樣表面發(fā)現(xiàn)有明顯的氫鼓泡現(xiàn)象,而在存在殘余壓應力的表面無明顯氫鼓泡現(xiàn)象(如圖2)。由此表明,管線鋼的氫鼓泡敏感性既與材料強度有關,也與試樣表面應力狀態(tài)有關,殘余拉應力促進氫鼓泡,殘余壓應力則能夠抑制氫鼓泡。

圖2 X80管線鋼機械壓平試樣表面形貌

金相剖面分析表明,X52管線鋼機械壓平試樣剖面上存在明顯的開裂現(xiàn)象(如圖3),并且裂紋沿著帶狀組織發(fā)展(如圖3c、圖3d),而在管子上直接取樣的試樣剖面宏觀觀察未發(fā)現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象(如圖4)。金相顯微鏡放大100倍觀察表明,X52管線鋼母材試樣無HIC裂紋,焊縫試樣存在較輕的HIC開裂現(xiàn)象(如表3)。

圖3 X52管線鋼機械展平試樣剖面形貌

圖4 X52管線鋼直接取樣剖面宏觀形貌

表3 X52管線鋼試樣HIC敏感參數(shù)測試結果

表3結果表明,X52管線鋼引入形變的機械展平法試樣的HIC敏感參數(shù)顯著高于直接在管材上取樣的試樣;X52管線鋼焊縫試樣的 HIC敏感性明顯高于母材試樣。

根據(jù)國家標準對石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件的要求[1],管線鋼的 HIC敏感參數(shù)滿足CS R≤2%,CL R≤15%,CTR≤5%時,則認為管線鋼抗 HIC性能符合要求。表3中直接取樣的HIC敏感性很低,均符合標準指標要求,即管材的固有抗HIC性能達標。機械展平引起的變形使鋼的HIC敏感參數(shù)均超出標準要求的指標,這是因為大形變促進材料內部位錯增值,H原子的擴散與富集更為容易,同時永久性塑性形變在X52鋼試樣內部引入了殘余應力,殘余拉應力同樣會促進H原子的擴散與局部富集,進而促進HIC敏感性提高。

從焊管上直接取樣的 HIC試驗結果反映的是焊管固有的HIC敏感性,而機械展平試樣造成大的塑性形變,試樣的HIC參數(shù)受到了人為引入的殘余應力和形變損傷的影響,不能反映管線鋼固有的HIC敏感性。

對于X80管線鋼,無論是直接取樣,還是機械展平試樣,宏觀和放大100倍的微觀觀察均未在試樣內部發(fā)現(xiàn)HIC裂紋,即X80鋼的HIC敏感性較低。

上述結果表明,無論對于HIC敏感性高的X52鋼,還是對于HIC敏感性低的X80鋼,用機械壓平方式制取試樣進行 HIC評價,均與管線鋼的 HIC固有敏感行為存在差異,并且管材的固有HIC敏感性愈高,形變的影響愈為顯著。因此,在對管線鋼HIC敏感行為評價時,用機械壓平方式制取試樣是不可取的,應采用從管子上直接取樣的方法制備試樣,否則可能會導致誤判的后果。另外,也說明管線鋼在服役過程中的變形會促進HIC破壞。

2.2 影響HIC的材料組織和成份因素

組織結構和化學成分偏析是影響管線鋼 HIC敏感性的重要因素,HIC對帶狀珠光體組織十分敏感[4-5,7]。分析表明,X52管線鋼微觀組織為鐵素體+帶狀珠光體,HIC裂紋均沿帶狀珠光體發(fā)展(如圖3)。鋼在H2S環(huán)境中腐蝕析出的H很容易在帶狀組織缺陷處富集,形成高壓H而促進HIC損傷。電子探針微區(qū)成份分析表明,X52管線鋼中存在明顯的S、Mn、C等元素的局部偏析(如圖5),并且Mn與S元素易于在帶狀珠光體組織缺陷處富集而形成MnS夾雜物,該夾雜物與鋼基體的分界面處則是HIC裂紋易于成核的區(qū)域,因而很容易促進 HIC開裂。

圖5 X52鋼垂直帶狀組織的元素分布線掃描

X80管線鋼是采用控壓、控冷工藝(TMCP)的微合金化鋼種,具有高的韌性和強度,其顯微組織以熱力學穩(wěn)定且對 HIC敏感性較低的細化針狀鐵素體組織為主(如圖6),Mn/C比值比X52鋼高得多。上述因素導致X80鋼的抗 HIC性能明顯優(yōu)于X52管線鋼,試樣變形對X80鋼HIC敏感參數(shù)的影響不明顯。但是圖2表明,試樣變形對X80鋼表面氫鼓泡則有明顯的影響,其主要原因在于試樣表面受材料內部的約束小,雖然X80鋼的強度較高,但是對表面的約束作用與X52鋼的區(qū)別不大,因而形變作用仍然會對X80鋼表面氫鼓泡產(chǎn)生明顯的影響。

圖6 X80管線鋼母材顯微組織

2.3 應力因素對HIC的影響

表4為施加0.95σs外加應力對 X52管線鋼HIC敏感參數(shù)測試值影響的試驗結果,可以看出,外加應力使X52管線鋼的HIC敏感性明顯增高。

采用4點彎曲法加載,讓試樣的一個表面受張應力,另一個表面受壓應力,由表3的結果可以看到,4點彎曲法加載使 HIC敏感性提高,說明拉應力對HIC敏感性的促進作用高于壓應力對 HIC敏感性的抑制作用;對 CS R和CTR的影響顯著,對CL R的影響較小。

X射線衍射儀對機械壓平試樣的殘余應力測試結果表明,X52管線鋼試樣殘余張應力面上的最大應力值約為220 MPa,X80管線鋼試樣殘余張應力最大值約為240 MPa。X52管線鋼試樣殘余壓應力面上的最大壓應力值約為-150 MPa,X80管線鋼試樣最大壓應力值在-60 MPa以上。由此可見,人為機械形變不僅會造成材料大的塑性形變,而且在鋼表面引入了比較大的殘余應力,致使機械壓平試樣HIC敏感性高于直接截取的試樣。試樣中殘余應力的存在會使 H向3向拉應力集中處擴散和局部富集,H濃度升高;相反,在壓應力集中處H濃度降低[6,8]。

表4 施加外力對X52鋼HIC敏感參數(shù)的影響

采用機械壓平試樣產(chǎn)生的塑性形變在X52管線鋼試樣中引入了較高的殘余應力場,產(chǎn)生高密度位錯、畸變和缺陷組織,為H的滲透、聚集提供了方便,加之X52鋼固有的 HIC敏感性高,因而塑性形變明顯降低了 X52管線鋼抗 HIC能力,導致其HIC敏感性比鋼管固有HIC敏感性顯著提高。

X80管線鋼表面受材料內部的約束小,殘余拉應力會促進氫原子向鋼次表層擴散與聚集,因而對氫鼓泡有一定的促進作用,而殘余壓應力則會抑制表面氫鼓泡現(xiàn)象的發(fā)生。

X52鋼管的HIC試驗結果還表明,無論是直接取樣,還是人為引入形變的試樣,焊縫試樣的 HIC敏感性明顯高于母材。這主要是由于在高頻直流電阻焊接的急熱和急冷過程中,短時加熱重熔和快冷導致焊縫處合金元素的部分損失和焊接區(qū)的殘余拉應力,形成的焊縫區(qū)在成分、組織結構、夾雜物以及應力狀態(tài)方面與母材存在著較大的差異[6,9],導致焊縫HIC的敏感性明顯高于母材。

3 結論

1) 管線鋼的氫致開裂(HIC)敏感性受其形變和應力狀態(tài)影響,大的塑性變形和高的拉應力均會使鋼的HIC敏感性(包括氫鼓泡)增高,并且鋼的固有HIC敏感性愈高,影響愈為明顯,原因歸于塑性形變和拉應力促進了H在鋼中的擴散與局部富集。

2) 由于機械展平法制備 HIC試樣時會造成塑性形變和引入殘余拉應力,且HIC敏感性高于用直接在管材上取樣法制備的試樣,因此,不宜采用機械展平法制備試樣進行管線鋼HIC敏感性評價。

3) 高強度X80管線鋼的HIC敏感性低,低強度X52管線鋼的 HIC敏感性較高,且焊接接頭的HIC敏感性明顯高于母材試樣,原因歸于X80管線鋼帶狀組織少,晶粒細,強度高,而X52鋼的帶狀組織突出,Mn、S元素局部偏析明顯。

[1] GB/T9711.3—2005,石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件[S].

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Effect of Deformation and Residual Stress on Hydrogen-induced Cracking Behaviors of Pipeline Steels

LI Xuan1,LIU Dao-xin1,XU Zi-peng1,BAI Zhen-quan2
(1.Corrosion and Protection L aboratory,Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072,China; 2.Research Institute ofTubular Goods of CN PC,Xi’an710065,China)

The low intensity X52 and high intensity X80 pipeline steels were chosen to study the Hydrogen-induced Cracking(HIC)behaviors which was influenced by plastic deformation and residual stress produced in the service environment or test procedure.The influence of mechanical and welding factors on HIC behaviors was investigated.And the electron probe micro-analysis (EPMA)also has been used to investigate the influence of micro-component segregation on origin HIC.The results show that HIC behaviors of pipeline steels are strongly influenced by the microstructure,micro-component segregation and residual stress.The HIC parameters of the pipeline steels that were influenced by the plastic deformation and residual stress situation rely on their inherent HIC sensitivity.The higher the HIC sensitivity of the steel is,the more remarkable the influence is.The direct-sampling method is more appropriate for evaluating HIC behaviors of the pipeline rather than mechanical flattening method,the latter may result in misjudgment,especially in minor-caliber pipeline steels.

pipeline steels;hydrogen-induced cracking;residual stress;plastic deformation

1001-3482(2010)04-0077-06

TE973.6

A

2009-10-28

石油管力學和環(huán)境行為重點實驗室開放基金(ZYT-0601)

李 軒(1982-),男,河南光山人,碩士研究生,主要研究方向為材料的腐蝕與防護,E-mail:biluaner@yahoo. com.cn。