L245NS鋼在濕硫化氫環境下腐蝕行為研究

任艷輝 黃繼超 蒲 哲 劉永良 劉 建 曾云帆

（1. 中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達州 635000；2. 西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

輸送油氣的管道在濕H2S環境下，H損傷主要包括兩種形式：應力腐蝕（SCC）與氫致開裂（HIC），它們所引起的失效大多是在事前無可見預兆而突發的脆性斷裂，甚至可引起工業設備爆炸，破壞及危害極大[1-3]。

某地區石油天然氣富含H2S，油氣田站外基本采用245NS PSL2材質管線，在早期該材質管道服役狀態良好，未發生過管道失效事故。經過4年以上開發，該地區油氣資源含硫量日漸增高，尤其是H2S含量，比開采之初高了19%，H2S濃度的提高會增加材料H損傷的敏感性，故此研究該材質管線鋼在高濃度H2S環境下服役狀態對該油氣田生產安全有重要意義。本實驗選用該地區某天然氣處理站集氣支線所采用的L245NS管線鋼，對其直管段及焊管段進行高酸性環境下（高硫化氫、高壓、高腐蝕性介質）適用性試驗評價分析評價。

1 實驗方法

1.1 實驗樣品分析

試驗用試樣由材質為L245NS的直管段及焊管段上取樣制備而成，選取管內壁腐蝕坑部位、涂層部位等截面，樣品尺寸為15×15mm，水砂紙逐級打磨到2000#，拋光。采用4%硝酸酒精進行金相刻蝕，刻蝕后將試樣用去離子水清洗干凈，酒精吹干。其表面無肉眼可見的裂紋，白點，氣孔等缺陷。采用SPECTRD直讀光譜儀對其元素進行分析，其化學成分如表1所示。采用WDW-300電子萬能試驗機進行測試，測試其抗拉強度、屈服強度、伸長率；采用維氏硬度計進行測試，測試其維氏硬度值；采用GX51金相顯微鏡觀察分析金相組織，其機械性能、硬度、晶粒度等如表2所示。由表可知，直管段和焊管的化學成分、抗拉強度、屈服強度、伸長率、縱向沖擊吸收功、維氏硬度、組織均滿足GB/T 9711-2017對L245NS的要求[4-7]。

表1 式樣化學成分分析結果（wt.%）

表2 式樣機械性能、硬度、晶粒度

1.2 應力腐蝕實驗

試樣材料準備：試驗溶液用標準A溶液。試驗用試樣由材質為L245NS的焊管段與直管段取樣制備而成，如圖1所示。四點彎曲試驗是一種恒位移試驗，在兩個加載棍（軸承圓柱）上支撐彎梁試樣，另外兩個加載棍施加載荷以使試樣的一個面處于拉伸狀態（在內加載棍之間均勻受力）；而另一個面處于壓縮狀態來實現。按照現場液相進行調配，緩蝕劑使用現場用緩蝕劑；通入氣體：預制混合氣；加載應力暫定85% SMYS（規定最小屈服強度）；試驗時間：720h。取出樣品后進行評價。

圖1 試樣加載荷示意圖

1.3 氫致開裂試驗分析

試驗方法是將無應力的試樣浸泡在溶液A，常溫常壓下，含飽和硫化氫（H2S）、氯化鈉（NaCl）和乙酸（冰醋酸，CH3COOH)的蒸餾水或去離子水溶液； 浸泡規定的時間后，取出試樣并進行評定。

2 實驗結果分析

2.1 金相結果分析

在直管段和焊管上取樣進行晶粒度和非金屬夾雜試驗，金相圖如圖2所示，該鋼材組織為鐵素體+珠光體，其中直管段鐵素體呈帶狀沿著軋制方向被拉長，而焊管段鐵素體則呈不規則的多邊狀，這倆種鋼材的組織分布都較為均勻，無明顯夾雜物。鐵素體是C及P的偏析區，在濕H2S環境下，這種偏析區會成為“H陷阱”，不斷捕獲H原子，板條狀鐵素體其內部形貌為帶狀，極易成為氫致開裂中的輸H通道，使得裂紋擴展，而H原子遇到多邊形鐵素體則會沿著晶界彎曲，裂紋一般會中止于此[8]。帶狀組織的存在也使得位錯容易運動，位錯密度也隨之上升，這會導致H原子更容易聚集且傳輸路徑變多。而多邊形鐵素體會阻礙位錯的運動，使位錯密度下降，焊管段之所以會出現多邊形鐵素體是由于焊接時的熱量使得鋼材組織發生了變化，起到了類似回復再結晶的作用。綜上，如想提高管線鋼在投用時的抗HIC能力，推薦采用正火等熱處理方式均勻化其內部 組織。

圖2 金相圖

2.2 應力腐蝕試驗結果分析

送檢試樣在模擬環境下（溫度：28℃，總壓6.5MPa，H2S 分壓為0.3MPa，N2充壓，溶液為標準A 溶液（0.5wt% CH3COOH+5wt% NaCl）），加載應力為176.4MP（72%SMYYS）時，經720h試驗后，六個試樣（三個直管段，三個焊管段）均未發生斷裂；在10倍放大鏡下觀察，所有試樣表面均未發現裂紋。試驗后試樣宏觀照片如圖3所示。

圖3 試驗后試樣宏觀照片

對從直管段應力腐蝕試驗后試樣切取的金相試樣進行金相觀察。在金相顯微鏡放大200倍下觀察6個試樣均未發現外表面裂紋，微觀形貌如圖4所示。

圖4 截面微觀形貌照片（200倍）

具體試驗結果如表3所示。由結果可知，焊管試樣與直管式樣在實驗后所有試樣表面均未發現裂紋，這是得益于該鋼材中無明顯夾雜物：雙相鋼一般抗應力腐蝕能力較強，但若是有非金屬夾雜物隨著冶金過程混入鋼材，其會在結晶過程中迅速偏聚于晶界處，極大的提高鋼材的應力腐蝕敏感性，如圖5所示，金相圖中并未發現明顯的夾雜物，這會提高鋼的抗應力腐蝕能力。

圖5 氫致開裂試樣表面形貌

表3 應力腐蝕試驗結果

2.3 直管段和焊管氫致開裂試驗結

氫致開裂試驗結束后清洗試樣，在直管段3個試樣中，試樣1存在少量氫鼓泡，試樣2、試樣3試樣表面均存在較多氫鼓泡；L245NS焊管試樣氫鼓泡數量相對較少。其形貌如圖2-4所示。焊管段及直管段經100倍金相分析，三個試樣的所有截面均未發現裂紋，六個試樣的裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）及裂紋敏感率（CSR）均為0。這說明本次實驗所采用的L245鋼材由較好的抗HIC能力。

從2.1分析可知，帶狀鐵素體有利于H原子傳播，多邊形鐵素體則會阻礙H原子的擴散，這使得直管段的氫鼓泡明顯多于焊管段。同時除了材料本身的微觀組織之外，其組成成分也會對氫致開裂敏感性造成影響，鋼中的非金屬夾雜物由于其機械性能與鋼中其他成分不同，會引起較大的彈性畸變，這使得其周圍存在許多空隙，成為可以聚集H原子的H陷阱。粗大的板條狀組織及細長的非金屬夾雜物會使得鋼材的氫致開裂敏感性迅速上升。而本次實驗所用樣品物無可見夾雜物，使得其抗HIC性能大幅上升，這使得樣品沒有出現氫致開裂裂紋。

3 結語

（1）該處理站所采用的L245NSPSL2鋼材夾雜物少，成分均勻，晶粒度不大，含碳量較少，極大的增強了其抗SCC及HIC能力；

（2）該L245NS鋼材在模擬環境下（溫度：28℃，總壓6.5MPa，H2S分壓為0.3MPa，N2充壓，溶液為標準A溶液（0.5wt% CH3COOH+5wt% NaCl）），加載應力為176.4MPa（72%SMYYS）時，經720h試驗后，直管段與焊管段都未出現裂紋，表現出良好的抗SCC能力；

（3）經氫致開裂試驗后，直管段和焊管經100倍金相分析，三個試樣的所有截面均未發現裂紋，三個試樣的裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）及裂紋敏感率（CSR）均為0，表現出良好的抗HIC能力。焊管段氫鼓泡少于直管段，說明微觀組織形貌會極大的影響抗HIC能力；

（4）該地區所采用的L245NS材質管線鋼在高濃度H2S環境下沒有出現SCC及HIC現象，仍可保證其后續使用。