管線管氫致開裂試樣檢測及分析

楊 迅，張志遠，葉小軍，穆瑞三

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

管線管氫致開裂試樣檢測及分析

楊 迅，張志遠，葉小軍，穆瑞三

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

對管線管氫致開裂（HIC）試驗后試樣進行超聲波探傷和金相分析。結果表明：HIC試驗后未發現氫致裂紋缺陷，但超聲波探傷可檢測到大型B類夾雜物及表面氫鼓泡。本試驗所取試樣較大B類夾雜物出現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半徑到表層細晶區之間，其成因與鑄坯芯部成分偏析無關。氫鼓泡中有大顆粒狀氧化鎂及硫化鈣夾雜，其余區域為鋁酸鈣夾雜，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

濕硫化氫環境下腐蝕反應形成的氫脆給工業生產帶來了諸多問題，特別是石油行業。隨著鉆井技術的發展，鉆具及油套管、管線管用鋼常被用在濕硫化氫電解介質的苛刻環境下，管線鋼選材不當常有發生氫脆事故。這種脆化的機理是：H2S與鋼材表面發生腐蝕反應產生氫，而后氫又被鋼材吸收造成局部壓力過大超過材料的強度極限導致氫脆。在濕硫化氫環境中，管線鋼可能存在下面三種失效問題：第一是在無應力情況下的氫致裂紋（HIC），氫鼓泡（HB），階梯開裂（SWC）；其二是外加應力情況下的硫化物應力開裂（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生氫，這些氫一部分進入熔融的焊縫金屬中，當焊縫冷卻時來不及擴散出去形成局部高壓而導致焊縫出現微裂紋的氫致延遲開裂現象。

HIC是氫脆的一種，表現為不加載應力狀態下的氫鼓泡和內部裂紋。主要冶金因素包括：夾雜，冷卻時因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敏感性與冶金參數密切相關，特別是缺陷（非金屬夾雜和第二相）的分布狀況，同時環境對HIC敏感性也起到重要作用。1984年R．A．Oriani提出管線鋼氫誘導失效一般可歸結為氫誘導鼓泡裂紋（HIBC），條狀MnS和鏈條狀氧化物夾雜增加鋼的氫誘導鼓泡裂紋（HIBC），球形夾雜的周圍因為不滿足三向應力集中狀態而不利于氫在此處聚集[2]。

ISO 15156-2：2009石油天然氣工業、油氣開采中用于含硫化氫環境的材料第2部分：抗開裂碳鋼、低合金鋼和鑄鐵中關于評定碳鋼和低合金鋼抗HIC或SWC的驗收準則規定，在金相切片部位選擇之前，試樣可以用超聲波檢測發現和評價裂紋區域。本文試驗研究是管線管HIC腐蝕試驗后試樣進行超聲波無損探傷，對探傷定位缺陷點進行金相分析。分析試驗結果，力求對管線管煉鋼工藝改進及性能優化有一定的指導意義。

2 試驗材料和方法

對PSL2 X60QS鋼級，鋼種為12MnNbVs/1，規格為φ323．90×19．05mm的管線鋼HIC腐蝕試驗后試樣的缺陷點進行探傷定位，并對多個缺陷點進行金相分析。鋼管生產工藝流程是：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。HIC（氫致開裂）試驗采用NACE TM0284-2003標準A溶液5%NaCl＋0．5%CH3COOH＋蒸餾水，試驗時間為96 h。

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

3 試驗結果及討論

3．1 超聲波探傷缺陷及金相分析

超聲探傷檢測規格為?323．90×19．05 mm管線管HIC試驗后的試樣。HIC試驗一組3個試樣，試驗后試樣表面可見少量直徑小于1 mm的氫鼓泡，見圖1（a）圓形標志。其中一個試樣有一探傷內傷缺陷，精確定位報傷點并做標記。圖1（b）為定位缺陷點的探傷譜線，可見試樣上下表面反射波之間有一明顯內傷波，且強度已超過設定缺陷反射波門檻值。

圖1 超聲波探傷缺陷

對圖1試樣根據NACE TM0284標準取樣并進行金相觀察，未見試樣內部有氫致開裂裂紋[5]。探傷定位缺陷點對應位置沿管體橫截面切開，對其進行金相觀察。管體定位點內傷缺陷為B類鏈條狀夾雜物，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，可見夾雜物為隨機分布，與鑄坯成分偏析無關。B類超寬鏈條狀夾雜在管體橫截面上長度約365 μm，如圖2（b）所示，經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。

圖2 探傷定位缺陷點金相及能譜分析

為了觀察圖2中B類鏈條狀夾雜沿管體縱向延伸長度，在橫截面上對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、外壁，進而對夾雜物相對于管體內外壁的關系進行定位。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NACE TM0284標準取樣規定，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。縱向解剖后這條B類超寬夾雜物長度約501 μm（加工時已鋸斷，實際長度應大于501 μm），局部放大形貌見圖3（b）。

鑄坯表層細晶區首先凝固，晶粒細小、成分均勻、組織致密[6]，假設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半徑到表層細晶區之間。試驗結果表明，管線管氫致開裂（HIC）試驗后超聲波探傷及金相檢測分析未發現氫致裂紋缺陷。

3．2 氫鼓泡缺陷SEM分析

用掃描電鏡及能譜儀對氫鼓泡內部進行形貌觀察和成分分析。圖4為氫鼓泡內部夾雜物及周圍氫脆準解理斷口形貌照片，圖4（a）可見氫鼓泡直徑約1．5 mm，深度約0．5 mm。氫鼓泡上蓋有兩個大顆粒狀夾雜，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夾雜物分別為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解理斷口見圖4（e）。

圖3 管體縱截面探傷定位點分析

圖4 氫鼓泡中夾雜物及周圍氫脆斷口形貌

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

管材在實際特定的使用環境下產生氫鼓泡，隨著服役時間的增加、腐蝕環境的變化、外界應力變化，鼓泡處可能會破裂，這樣相當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蝕穿孔，造成管材的早期失效，所以應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 結論

本試驗所取試樣大型B類夾雜物出現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半徑到表層細晶區之間，其成因與鑄坯成分偏析無關。管線鋼在濕的含硫化氫環境中長期使用，氫原子會在夾雜物處聚集并轉化為氫分子，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，其余區域為鋁酸鈣夾雜，所以夾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．金屬學與熱處理[M]．北京:機械工業出版社，1997．

天津鋼管集團入選國家級知識產權優勢企業

近日，國家知識產權局為首批確定的國家級知識產權優勢企業授牌，作為中國質量檢驗協會團體會員單位的天津鋼管集團股份有限公司成功入選。此項評選旨在進一步集成資源，不斷加大對國家級知識產權示范企業和優勢企業的扶持力度，加快形成一批擁有自主知識產權和知名品牌、國際競爭力較強的骨干企業。

多年來，天津鋼管集團不斷加強企業知識產權管理體系建設，深刻認識知識產權工作對于強化企業技術創新主體地位、提升企業創新能力的重要意義，在企業發展壯大進程中，注重發揮知識產權工作的基礎性、保障性和戰略性作用。2013年，天津鋼管集團公司在知識產權工作上取得了可喜的成績，共申報專利30項，其中發明專利18項；獲得授權30項，其中發明專利12項。同時還獲得了天津市科技進步獎一等獎一項、二等獎一項，濱海新區科技進步獎一等獎一項，冶金科學技術獎三等獎二項，鋼結構協會科技進步獎三等獎一項，低合金鋼學會科技進步獎三等獎一項。今后，天津鋼管集團將由技術中心牽頭加大知識產權工作力度，著力提升知識產權數量和質量，不斷增強知識產權保護和運用能力，加快形成企業知識產權競爭優勢。

（2014-04-02摘自中國質量網http://www.caq.org.cn）

武鋼超薄規格高強鋼國內首發

日前，從某知名客車制造企業傳來消息，武鋼1.5 mm以上700兆帕級薄規格高強鋼入廠檢驗全部合格。同時，武鋼熱軋總廠一分廠成功上線試制1.25 mm超薄規格700兆帕級高強鋼，成為國內首家生產該規格級別高強鋼的企業。

薄規格高強鋼要求具有超薄厚度、較高強度、良好的焊接性、優異的成型性能。目前，國內尚無鋼鐵企業能夠批量供應2.0mm以下700兆帕級薄規格熱軋高強鋼，許多國內客車生產企業只能使用冷軋材替代，采購成本較高。武鋼項目組經過多次討論方管成型檢驗方法，明確了合理的化學成分和軋制工藝，密切跟蹤生產過程，攻克多項技術難題，最終實現了1.5 mm以上規格產品的批量供貨和1.25 mm規格產品的成功試制。

（2014-04-01摘自我愛鋼鐵網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，高級工程師，主要從事鋼管生產技術與培訓管理工作。