楊 迅，張志遠(yuǎn)，葉小軍，穆瑞三

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

管線管氫致開裂試樣檢測(cè)及分析

楊 迅，張志遠(yuǎn)，葉小軍，穆瑞三

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

對(duì)管線管氫致開裂（HIC）試驗(yàn)后試樣進(jìn)行超聲波探傷和金相分析。結(jié)果表明：HIC試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)氫致裂紋缺陷，但超聲波探傷可檢測(cè)到大型B類夾雜物及表面氫鼓泡。本試驗(yàn)所取試樣較大B類夾雜物出現(xiàn)在管體壁厚中心與外壁之間，可以大致推斷較大B類夾雜位于原始鑄坯1/2半徑到表層細(xì)晶區(qū)之間，其成因與鑄坯芯部成分偏析無關(guān)。氫鼓泡中有大顆粒狀氧化鎂及硫化鈣夾雜，其余區(qū)域?yàn)殇X酸鈣夾雜，故夾雜物是形成氫鼓泡的誘因之一。

超聲波探傷；金相分析；氫鼓泡；氫致開裂；管線管

1 引言

濕硫化氫環(huán)境下腐蝕反應(yīng)形成的氫脆給工業(yè)生產(chǎn)帶來了諸多問題，特別是石油行業(yè)。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆具及油套管、管線管用鋼常被用在濕硫化氫電解介質(zhì)的苛刻環(huán)境下，管線鋼選材不當(dāng)常有發(fā)生氫脆事故。這種脆化的機(jī)理是：H2S與鋼材表面發(fā)生腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生氫，而后氫又被鋼材吸收造成局部壓力過大超過材料的強(qiáng)度極限導(dǎo)致氫脆。在濕硫化氫環(huán)境中，管線鋼可能存在下面三種失效問題：第一是在無應(yīng)力情況下的氫致裂紋（HIC），氫鼓泡（HB），階梯開裂（SWC）；其二是外加應(yīng)力情況下的硫化物應(yīng)力開裂（SSC）；其三是在焊接過程中，焊接材料中水分或油污在電弧高溫作用下分解產(chǎn)生氫，這些氫一部分進(jìn)入熔融的焊縫金屬中，當(dāng)焊縫冷卻時(shí)來不及擴(kuò)散出去形成局部高壓而導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)微裂紋的氫致延遲開裂現(xiàn)象。

HIC是氫脆的一種，表現(xiàn)為不加載應(yīng)力狀態(tài)下的氫鼓泡和內(nèi)部裂紋。主要冶金因素包括：夾雜，冷卻時(shí)因C、Mn、P元素偏析形成的貝氏體馬氏體條帶，S、P的純凈度及軋制情況等[1]。HIC敏感性與冶金參數(shù)密切相關(guān)，特別是缺陷（非金屬夾雜和第二相）的分布狀況，同時(shí)環(huán)境對(duì)HIC敏感性也起到重要作用。1984年R．A．Oriani提出管線鋼氫誘導(dǎo)失效一般可歸結(jié)為氫誘導(dǎo)鼓泡裂紋（HIBC），條狀MnS和鏈條狀氧化物夾雜增加鋼的氫誘導(dǎo)鼓泡裂紋（HIBC），球形夾雜的周圍因?yàn)椴粷M足三向應(yīng)力集中狀態(tài)而不利于氫在此處聚集[2]。

ISO 15156-2：2009石油天然氣工業(yè)、油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料第2部分：抗開裂碳鋼、低合金鋼和鑄鐵中關(guān)于評(píng)定碳鋼和低合金鋼抗HIC或SWC的驗(yàn)收準(zhǔn)則規(guī)定，在金相切片部位選擇之前，試樣可以用超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)裂紋區(qū)域。本文試驗(yàn)研究是管線管HIC腐蝕試驗(yàn)后試樣進(jìn)行超聲波無損探傷，對(duì)探傷定位缺陷點(diǎn)進(jìn)行金相分析。分析試驗(yàn)結(jié)果，力求對(duì)管線管煉鋼工藝改進(jìn)及性能優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)材料和方法

對(duì)PSL2 X60QS鋼級(jí)，鋼種為12MnNbVs/1，規(guī)格為φ323．90×19．05mm的管線鋼HIC腐蝕試驗(yàn)后試樣的缺陷點(diǎn)進(jìn)行探傷定位，并對(duì)多個(gè)缺陷點(diǎn)進(jìn)行金相分析。鋼管生產(chǎn)工藝流程是：電弧爐＋爐外精煉＋真空脫氣（VD）→連鑄（CCM）→管壞加熱→穿孔→熱軋→熱處理→矯直→無損探傷→入庫(kù)。HIC（氫致開裂）試驗(yàn)采用NACE TM0284-2003標(biāo)準(zhǔn)A溶液5%NaCl＋0．5%CH3COOH＋蒸餾水，試驗(yàn)時(shí)間為96 h。

用ZEISS AIM型金相顯微鏡進(jìn)行金相觀察；用ZEISS掃描電子顯微鏡、EDAX能譜儀，對(duì)探傷定位氫鼓泡內(nèi)部形貌及夾雜物成分進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3．1 超聲波探傷缺陷及金相分析

超聲探傷檢測(cè)規(guī)格為?323．90×19．05 mm管線管HIC試驗(yàn)后的試樣。HIC試驗(yàn)一組3個(gè)試樣，試驗(yàn)后試樣表面可見少量直徑小于1 mm的氫鼓泡，見圖1（a）圓形標(biāo)志。其中一個(gè)試樣有一探傷內(nèi)傷缺陷，精確定位報(bào)傷點(diǎn)并做標(biāo)記。圖1（b）為定位缺陷點(diǎn)的探傷譜線，可見試樣上下表面反射波之間有一明顯內(nèi)傷波，且強(qiáng)度已超過設(shè)定缺陷反射波門檻值。

圖1 超聲波探傷缺陷

對(duì)圖1試樣根據(jù)NACE TM0284標(biāo)準(zhǔn)取樣并進(jìn)行金相觀察，未見試樣內(nèi)部有氫致開裂裂紋[5]。探傷定位缺陷點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置沿管體橫截面切開，對(duì)其進(jìn)行金相觀察。管體定位點(diǎn)內(nèi)傷缺陷為B類鏈條狀?yuàn)A雜物，其附近有一超直徑D類球形夾雜物，夾雜物及其周圍顯微組織低倍形貌見圖2（a），夾雜物周圍未見成分偏析區(qū)，可見夾雜物為隨機(jī)分布，與鑄坯成分偏析無關(guān)。B類超寬鏈條狀?yuàn)A雜在管體橫截面上長(zhǎng)度約365 μm，如圖2（b）所示，經(jīng)能譜分析表明夾雜主要由鋁酸鈣和氧化鎂顆粒組成。D類球形夾雜直徑約115 μm，局部放大形貌見圖2（c），能譜分析表明其芯部成分為鋁酸鈣，表層為主要為硫化鈣，這于煉鋼鈣處理夾雜物變形有關(guān)。

圖2 探傷定位缺陷點(diǎn)金相及能譜分析

為了觀察圖2中B類鏈條狀?yuàn)A雜沿管體縱向延伸長(zhǎng)度，在橫截面上對(duì)其定位后切削加工到夾雜物處，磨制金相樣品，腐蝕后通過觀察帶狀組織及成分偏析可以分辨出管體內(nèi)、外壁，進(jìn)而對(duì)夾雜物相對(duì)于管體內(nèi)外壁的關(guān)系進(jìn)行定位。圖2中B類超寬夾雜物形貌距離試樣外壁約6．7 mm，見圖3（a）。根據(jù)NACE TM0284標(biāo)準(zhǔn)取樣規(guī)定，HIC試樣管體外壁加工≤1 mm，距離管體原始外表面距離小于7．7 mm，而管體名義壁厚為19．05 mm，這條夾雜物位于壁厚中心偏外壁。考慮到在穿孔軋制時(shí)鑄坯芯部和表面為非均勻變形，芯部變形量較大，所以這條B類夾雜物大致位于鑄坯表面至鑄坯中心的1/3處?？v向解剖后這條B類超寬夾雜物長(zhǎng)度約501 μm（加工時(shí)已鋸斷，實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)大于501 μm），局部放大形貌見圖3（b）。

鑄坯表層細(xì)晶區(qū)首先凝固，晶粒細(xì)小、成分均勻、組織致密[6]，假設(shè)穿孔及軋制過程中橫截面均勻變形，故可以推斷較大型B類氧化物夾雜均位于鑄坯1/2半徑到表層細(xì)晶區(qū)之間。試驗(yàn)結(jié)果表明，管線管氫致開裂（HIC）試驗(yàn)后超聲波探傷及金相檢測(cè)分析未發(fā)現(xiàn)氫致裂紋缺陷。

3．2 氫鼓泡缺陷SEM分析

用掃描電鏡及能譜儀對(duì)氫鼓泡內(nèi)部進(jìn)行形貌觀察和成分分析。圖4為氫鼓泡內(nèi)部夾雜物及周圍氫脆準(zhǔn)解理斷口形貌照片，圖4（a）可見氫鼓泡直徑約1．5 mm，深度約0．5 mm。氫鼓泡上蓋有兩個(gè)大顆粒狀?yuàn)A雜，低倍形貌見圖4（b），局部放大形貌見圖4（c）、（d），能譜分析表明兩顆粒狀?yuàn)A雜物分別為MgO和CaS。氫鼓泡周圍為氫脆斷口特征，鼓泡中夾雜物及周圍氫脆準(zhǔn)解理斷口見圖4（e）。

圖3 管體縱截面探傷定位點(diǎn)分析

圖4 氫鼓泡中夾雜物及周圍氫脆斷口形貌

氫鼓泡中除有兩個(gè)大顆粒狀?yuàn)A雜物外，其余區(qū)域還有大量團(tuán)塊狀?yuàn)A雜，其形貌見圖5。經(jīng)能譜分析左側(cè)深色團(tuán)塊狀?yuàn)A雜物為硫化鈣，而右側(cè)深色夾雜物為鋁酸鈣夾雜。氫鼓泡處原始鑄坯時(shí)為大團(tuán)狀氧化物夾雜，經(jīng)穿孔、軋制等大變形，其塑性變形能力差而被軋碎，形成這種團(tuán)塊狀?yuàn)A雜。在進(jìn)行HIC時(shí)，氫原子在此夾雜物處聚集并轉(zhuǎn)化為氫分子，體積急劇膨脹而形成氫鼓泡。因此，超聲波探傷可檢測(cè)到大型B類夾雜物及表面氫鼓泡。

管材在實(shí)際特定的使用環(huán)境下產(chǎn)生氫鼓泡，隨著服役時(shí)間的增加、腐蝕環(huán)境的變化、外界應(yīng)力變化，鼓泡處可能會(huì)破裂，這樣相當(dāng)于減小了管壁的受力面積，或者可能在破裂處近一步腐蝕形成點(diǎn)蝕穿孔，造成管材的早期失效，所以應(yīng)采取各種措施盡量避免形成氫鼓泡缺陷[3-4]。

圖5 氫鼓泡中夾雜物

4 結(jié)論

本試驗(yàn)所取試樣大型B類夾雜物出現(xiàn)在壁厚中心與外壁之間，故可以大致推斷較大型B類氧化物夾雜位于原始鑄坯1/2半徑到表層細(xì)晶區(qū)之間，其成因與鑄坯成分偏析無關(guān)。管線鋼在濕的含硫化氫環(huán)境中長(zhǎng)期使用，氫原子會(huì)在夾雜物處聚集并轉(zhuǎn)化為氫分子，體積急劇膨脹而形成氫鼓泡。氫鼓泡中有大顆粒狀氧化鎂及硫化鈣夾雜，其余區(qū)域?yàn)殇X酸鈣夾雜，所以?shī)A雜物是形成氫鼓泡的誘因之一。提高鋼的潔凈度水平是減少夾雜的有效途徑，進(jìn)而減少氫分子在夾雜物周圍的聚集，減輕或避免氫鼓泡的產(chǎn)生。

[1] Moore，E M，Warga J J．Factors influencing the hydrogen cracking sensitivity of pipeline steels[J]．Materials performance，1976，15（6）:17-23．

[2] Margot-Marette H，Charbonnier J C，Bridoux D，et al．Influence of metallurgical parameters on HIC of Linepipe steels[J]．Revue de Metallugie-CIT，1986（12）:891-899．

[3] NACE Standard TM0284-2011（latest revision）．Evaluation of pipeline and pressure vessel steels for resistance to hydrogeninduced cracking[S]．

[4]崔忠圻．金屬學(xué)與熱處理[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

天津鋼管集團(tuán)入選國(guó)家級(jí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)企業(yè)

近日，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局為首批確定的國(guó)家級(jí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)企業(yè)授牌，作為中國(guó)質(zhì)量檢驗(yàn)協(xié)會(huì)團(tuán)體會(huì)員單位的天津鋼管集團(tuán)股份有限公司成功入選。此項(xiàng)評(píng)選旨在進(jìn)一步集成資源，不斷加大對(duì)國(guó)家級(jí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)示范企業(yè)和優(yōu)勢(shì)企業(yè)的扶持力度，加快形成一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和知名品牌、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的骨干企業(yè)。

多年來，天津鋼管集團(tuán)不斷加強(qiáng)企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理體系建設(shè)，深刻認(rèn)識(shí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作對(duì)于強(qiáng)化企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新主體地位、提升企業(yè)創(chuàng)新能力的重要意義，在企業(yè)發(fā)展壯大進(jìn)程中，注重發(fā)揮知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作的基礎(chǔ)性、保障性和戰(zhàn)略性作用。2013年，天津鋼管集團(tuán)公司在知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作上取得了可喜的成績(jī)，共申報(bào)專利30項(xiàng)，其中發(fā)明專利18項(xiàng)；獲得授權(quán)30項(xiàng)，其中發(fā)明專利12項(xiàng)。同時(shí)還獲得了天津市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，濱海新區(qū)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)二項(xiàng)，鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)一項(xiàng)，低合金鋼學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。今后，天津鋼管集團(tuán)將由技術(shù)中心牽頭加大知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作力度，著力提升知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)量和質(zhì)量，不斷增強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和運(yùn)用能力，加快形成企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

（2014-04-02摘自中國(guó)質(zhì)量網(wǎng)http://www.caq.org.cn）

武鋼超薄規(guī)格高強(qiáng)鋼國(guó)內(nèi)首發(fā)

日前，從某知名客車制造企業(yè)傳來消息，武鋼1.5 mm以上700兆帕級(jí)薄規(guī)格高強(qiáng)鋼入廠檢驗(yàn)全部合格。同時(shí)，武鋼熱軋總廠一分廠成功上線試制1.25 mm超薄規(guī)格700兆帕級(jí)高強(qiáng)鋼，成為國(guó)內(nèi)首家生產(chǎn)該規(guī)格級(jí)別高強(qiáng)鋼的企業(yè)。

薄規(guī)格高強(qiáng)鋼要求具有超薄厚度、較高強(qiáng)度、良好的焊接性、優(yōu)異的成型性能。目前，國(guó)內(nèi)尚無鋼鐵企業(yè)能夠批量供應(yīng)2.0mm以下700兆帕級(jí)薄規(guī)格熱軋高強(qiáng)鋼，許多國(guó)內(nèi)客車生產(chǎn)企業(yè)只能使用冷軋材替代，采購(gòu)成本較高。武鋼項(xiàng)目組經(jīng)過多次討論方管成型檢驗(yàn)方法，明確了合理的化學(xué)成分和軋制工藝，密切跟蹤生產(chǎn)過程，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，最終實(shí)現(xiàn)了1.5 mm以上規(guī)格產(chǎn)品的批量供貨和1.25 mm規(guī)格產(chǎn)品的成功試制。

（2014-04-01摘自我愛鋼鐵網(wǎng)http://www.52steel.com）

Inspection and Analysis on Samples of Hydrogen Induced Crack for Pipeline Pipe

YANG Xun,ZHANG Zhi-yuan,YE Xiao-jun and MU Rui-san
(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

Ultrasonic detection and metallographic analysis were carried out on the samples produced in hydrogen induced crack (HIC)test for pipeline pipe．Results showed no hydrogen induced cracks were detected after HIC test but big inclusions of type B and surface hydrogen blisters at ultrasonic detection test．The big inclusions of type B in test sample presented between pipe thickness center and outer wall．Thus rough inference could be drawn that big inclusions of type B located between half way radius and surface fine grain area of the original billet and its formation was not related to billet central segregation．In hydrogen blister existed big granular magnesium oxide and calcium sulfide inclusions and also calcium aluminate．Therefore,inclusion was one of the reasons for hydrogen blister formation．

ultrasonic detection;metallographic analysis;hydrogen blister;hydrogen induced crack; pipeline pipe

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．032

2013-09-15

2013-10-12

楊迅（1957—），男，高級(jí)工程師，主要從事鋼管生產(chǎn)技術(shù)與培訓(xùn)管理工作。