翟冬雨

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

當(dāng)今世界為了滿足石油天然氣開采運(yùn)輸過程的嚴(yán)苛要求，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，具有良好的抗氫致裂紋（HIC）性能的管線得到大力推廣，是未來發(fā)展的方向［1-4］。相關(guān)研究表明，鋼中成分偏析產(chǎn)生的帶狀組織是影響抗HIC 性能的主要因素之一［5］。各個(gè)元素在鋼中分配比不同導(dǎo)致元素產(chǎn)生的中心偏析的能力不同，其中C、Mn、P、S 元素易產(chǎn)生偏析。在實(shí)際生產(chǎn)中，P、S 元素含量已控制到極低水平，因此C、Mn 元素產(chǎn)生的偏析對(duì)耐H2S 腐蝕抗HIC性能產(chǎn)生極大影響。本研究針對(duì)南京鋼鐵股份有限公司（簡稱南京鋼鐵）已有的X65MS 管線鋼生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)異爐同澆次試驗(yàn)鋼成分，探究C、Mn 元素含量對(duì)X65MS 管線鋼抗HIC 性能的影響。

1 成分設(shè)計(jì)

抗酸耐腐蝕管線鋼在使用過程中容易因氫致開裂而遭到嚴(yán)重破壞，這就要求其不但具有良好的力學(xué)性能、焊接性能和加工性能，還要擁有良好的抗HIC 性能。大量研究結(jié)果顯示［5］，成分偏析產(chǎn)生的帶狀組織是導(dǎo)致氫致開裂的主要原因之一。P、S元素極易發(fā)生偏析，是惡化鋼材抗HIC 性能的主要元素，因此必須嚴(yán)格控制P、S 元素含量；提高鋼中C 元素含量，鋼材強(qiáng)度得到改善，但當(dāng)C 元素含量增加到一定量將會(huì)加劇Mn、P 元素的偏析，碳化物的偏析現(xiàn)象也會(huì)加重，將會(huì)降低管線鋼抗HIC 能力，因此C 元素含量必須控制在一定范圍。相關(guān)研究表明［6］，H2S 氣氛使用的抗酸耐蝕管線鋼C 元素含量應(yīng)低于0.05%；適當(dāng)添加Mn 元素可以提高鋼材強(qiáng)韌性，減弱S 元素的有害作用，提高管線鋼的抗 HIC 性能。但有研究表明［7－8］，當(dāng) w（Mn）≥1.2%，鋼材的裂紋敏感性將顯著增加，因此Mn元素的添加也應(yīng)適量。

為了探究C、Mn 元素含量對(duì)X65MS 管線鋼的抗HIC 性能的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝條件設(shè)計(jì)了C 元素含量分別為0.045%、0.025%，Mn 元素含量分別為1.35%、1.05%的同澆次兩爐X65MS 管線鋼成分，嚴(yán)格控制P、S 元素含量，其中為了彌補(bǔ)2 號(hào)試驗(yàn)鋼因C、Mn 元素含量的下降而導(dǎo)致強(qiáng)度的下降，適當(dāng)增加Ni、Cr、Cu 元素的含量。X65MS抗酸腐蝕管線鋼化學(xué)成分見表1，X65MS 鋼級(jí)31.75 mm×1 804 mm 軋制規(guī)格 1～2 號(hào)試驗(yàn)鋼鋼板的力學(xué)性能要求見表2。

表1 X65MS 抗酸腐蝕管線鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表 2 X65MS 鋼級(jí) 31.75 mm×1 804 mm 軋制規(guī)格1～2 號(hào)試驗(yàn)鋼鋼板的力學(xué)性能要求

2 X65MS 管線鋼鑄坯低倍質(zhì)量

南京鋼鐵針對(duì)X65MS 管線鋼高純凈度、良好鑄坯質(zhì)量的要求，在煉鋼過程嚴(yán)格控制P、S 等有害元素，確保鋼水有精確的成分和較高的純凈度水平。連鑄過程采用動(dòng)態(tài)輕壓下、動(dòng)態(tài)二次冷卻水、自動(dòng)控制等技術(shù)進(jìn)行綜合控制，確保鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定。根據(jù)YB/T 4003—2016《連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)試驗(yàn)鋼鑄坯進(jìn)行評(píng)價(jià)，1 號(hào)試驗(yàn)鋼中心偏析B 類0.5 級(jí)、中間疏松1.5 級(jí)、中間裂紋0.5 級(jí)；采用低C、低Mn 元素設(shè)計(jì)的2 號(hào)試驗(yàn)鋼鑄坯無中間裂紋、角裂紋、蜂窩狀氣泡等缺陷，偏析級(jí)別達(dá)到C 類0.5 級(jí)水平，中間疏松達(dá)到0.5 級(jí)。采用低C、低Mn 元素設(shè)計(jì)的2 號(hào)試驗(yàn)鋼鑄坯質(zhì)量較1 號(hào)試驗(yàn)鋼有了大幅度提升。

3 X65MS 軋制工藝設(shè)計(jì)及性能檢測(cè)

3.1 軋制工藝設(shè)計(jì)

為了減輕鋼板心部偏析對(duì)HIC 性能影響，采用高溫加熱，促進(jìn)鑄坯心部偏析元素向鐵素體擴(kuò)散，坯料加熱溫度設(shè)定為（1 200±10）℃；軋制過程采用TMCP 熱機(jī)械控制工藝控制軋制，二階段開軋溫度設(shè)定為（880±10）℃，終軋溫度設(shè)定為（850±10）℃；軋后采用快冷工藝，消除或減少鋼板心部帶狀組織，開始冷卻溫度設(shè)定為（800±10）℃，終冷溫度設(shè)定為（500±10）℃，冷卻速度為 5 ℃/s。

3.2 理化性能檢測(cè)

采用同種軋制工藝試制鋼板，然后檢測(cè)其理化性能，力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖1 所示。由圖1 可見，試驗(yàn)鋼拉伸性能、沖擊吸收功富裕量較大，均滿足客戶使用要求。

4 X65MS 試驗(yàn)鋼板組織分析

對(duì)1 號(hào)和2 號(hào)試驗(yàn)鋼采用相同的TMCP 工藝進(jìn)行軋制，生產(chǎn)出的X65MS 管線鋼板力學(xué)性能滿足API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》要求，從鋼板厚度中心位置分別切取一定尺寸金相試樣，分別用400～2 000 目砂紙逐步打磨并拋光，采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行浸蝕，在金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察，1 號(hào)試驗(yàn)鋼、2 號(hào)試驗(yàn)鋼顯微組織如圖2所示。從圖2 可以看出，1 號(hào)試驗(yàn)鋼組織為鐵素體+少量珠光體，有一定帶狀組織，其中珠光體呈多邊形、條狀等不規(guī)則形狀，鐵素體呈多邊形狀；2 號(hào)試驗(yàn)鋼組織為鐵素體+極少量珠光體，無帶狀組織，其中珠光體呈球狀，鐵素體呈多邊形，基本上為單一鐵素體組織，這對(duì)于抗HIC 性能是有利的。眾多學(xué)者研究的結(jié)果表明［9－15］：鋼材中存在的帶狀組織、軟硬相交界處、MnS 夾雜和其他不規(guī)則夾雜物，都是極易發(fā)生氫致開裂的部位。這是因?yàn)殇撝蠬 極易在上述缺陷處擴(kuò)散，從而導(dǎo)致氫致裂紋迅速擴(kuò)展，鐵素體組織擁有良好的阻礙H 在鋼中擴(kuò)散的能力，進(jìn)而阻止氫致開裂行為的發(fā)生。2號(hào)試驗(yàn)鋼基本為單一的鐵素體組織，無帶狀組織；因此，在相同的冶煉與軋制條件下，較低C、Mn元素含量的成分設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品抗HIC 性能更為有利。

圖1 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 鋼板顯微組織

5 抗 HIC 性能

X65MS 試驗(yàn)鋼板抗HIC 性能檢測(cè)按照NACE TM 0284—2016《管道和壓力容器用鋼抗氫致開裂性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)溶液為A 溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% CH3COOH 和 5% NaCl 混合溶液，并充飽和 H2S 氣體，初始溶液 pH 值為 2.7～3.0），試驗(yàn)溫度為（25±3）℃。試驗(yàn)主要步驟為：①將清洗好的試樣放入試驗(yàn)容器中，層與層之間以玻璃棒隔開，然后密封試驗(yàn)容器；②將盛有試驗(yàn)溶液的容器和裝有試樣的試驗(yàn)容器分別通入N2除氧，N2的流量為每升容積100 mL/min，1 h 后，將除氧完全的試驗(yàn)溶液導(dǎo)入裝有試樣的試驗(yàn)容器中，繼續(xù)除氧1 h，N2流量為每升溶液100 mL/min，而后關(guān)閉N2閥；③打開H2S 閥，以每升溶液200 mL/min 的氣體流量向試驗(yàn)容器中通入H2S 氣體，1 h 后，調(diào)小H2S 氣體流量，保持H2S 氣體為微正壓，持續(xù)96 h；④試驗(yàn)結(jié)束，測(cè)量溶液pH 值（pH=3.8），取出試樣并清洗干凈；⑤按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行線切割，打磨拋光后制成金相塊，并采用Zeiss 光學(xué)顯微鏡進(jìn)行低倍觀察，裂紋典型形貌如圖3～4 所示，測(cè)量計(jì)算結(jié)果見表 3。

試驗(yàn)鋼在HIC 檢測(cè)結(jié)果雖然都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但抗氫致開裂性能卻有一定區(qū)別。采用高C、Mn元素設(shè)計(jì)的1 號(hào)試驗(yàn)鋼板，有一定的裂紋敏感性，在條件惡劣的情況下更容易產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致材料性能失效；采用低C、Mn 元素設(shè)計(jì)的2 號(hào)試驗(yàn)鋼板沒有出現(xiàn)任何裂紋，具有優(yōu)異的抗氫致裂紋性能。通過試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，為了提高產(chǎn)品抗氫致裂紋性能，隨著管線鋼級(jí)的提高，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)亟档彤a(chǎn)品的碳錳含量，從而提高產(chǎn)品抗HIC 性能穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

圖3 1 號(hào)試驗(yàn)鋼典型HIC 裂紋

圖4 2 號(hào)試驗(yàn)鋼典型HIC 裂紋

表3 X65MS 試驗(yàn)管線鋼抗HIC結(jié)果 %

在冶煉軋制生產(chǎn)控制工藝一致的基礎(chǔ)上，在同一連鑄澆次過程中選擇兩爐次試驗(yàn)鋼進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：采用低C、Mn 元素成分設(shè)計(jì)的試驗(yàn)鋼，容易形成單一的鐵素體組織，且無帶狀組織，通過 HIC 試驗(yàn)檢測(cè)，CLR、CTR 和 CSR 都為 0，抗氫致裂紋性能更為優(yōu)異與穩(wěn)定；采用高C、高M(jìn)n 元素含量成分設(shè)計(jì)的試驗(yàn)鋼，有一定量的中心偏析和中心疏松，HIC 試驗(yàn)檢測(cè)，CLR 為5.02%、CTR 為1.32%和CSR 為0.14%，有產(chǎn)生裂紋的傾向，抗HIC 性能穩(wěn)定性差。因此，采用低C、Mn元素成分設(shè)計(jì)方式更容易生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的厚壁高鋼級(jí)抗酸耐腐蝕管線鋼管。