120 ksi高強度小油管應力腐蝕性能研究*

李鴻斌，王 濤，張錦剛，余 晗，苑清英，王曉波

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.陜西省高強度連續管重點實驗室，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

隨著淺層油氣資源的瀕臨殆盡，油氣開采不斷地向深層發展，我國陸地油氣開采深度從3 000 m 突增至5 000 m 以上[1]。根據中石油的統計[2]，2006 年到2015 年井深超過4 000 m的井口數量從22口猛增到155口，同時間段6 000 m超深井井口數量從231 口增加到783 口。為滿足我國深井、超深井油氣開發需求，高鋼級的油氣管材開發及應用發展迅速。伴隨著井深的提高，高溫高壓環境以及高腐蝕性氣體對管材的強度、抗硫化物應力腐蝕開裂（SSC）等性能提出了更苛刻的要求[3]。NACE MR 0175 標準規定的管材抗硫化氫硬度要求≤ 22HRC[4]，而許多高強度管材硬度早已高于22HRC。據相關文獻報道[5-10]，含硫化氫（H2S）環境是油氣管材失效的主要因素，油氣管材在酸性環境下腐蝕失效的占比高達73.8%，其中應力腐蝕失效占比高達41.6%。

通常，管材強度的提高往往誘發SSC 敏感性[11-13]，然而現有文獻中，對高強度管材的應力腐蝕性能研究較少。因此，本研究針對采用高強度卷板、通過高頻焊焊接（HFW）工藝開發的120 ksi 鋼級小油管開展了理化性能、氫致開裂、不同加載力下的應力腐蝕（SSC）試驗，并分析試驗樣品失效斷裂的原因，為高強度管材在含硫工況下的應用及高強度抗硫管材的開發提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用低碳微合金成分設計的高強度卷板，通過HFW 焊接、熱處理等工藝，制備出了規格為Φ60.3 mm×5.0 mm 小油管，其化學成分見表1。對屈服強度達到120 ksi的小油管，開展理化性能及腐蝕性能評價。

表1 120 ksi小油管化學成分 %

1.2 試驗方法

對試樣采用Olympus GX71 型光學顯微鏡依據ASTM E3-11 《金相試樣制備標準指南》、ASTM E45《鋼中夾雜物含量的測定—標準檢驗法》、ASTM E112-13《測定平均粒徑的標準試驗方法》進行金相組織分析；采用德國司特爾DuraScan-70 全自動顯微維氏硬度計，依據ASTM E92《金屬材料維氏及努氏硬度標準試驗方法》進行硬度檢測；采用ZWICK Z1200 型全電子式萬能材料試驗機，依據ASTM A370—2009《鋼制品力學性能試驗的方法和定義》進行整管拉伸試驗。

在管體上分別切取尺寸為100 mm×20 mm×3 mm 的母材和焊縫試樣。采用美國CORTEST集成式氫致開裂測試系統，按照GB/T 8650—2015《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》要求進行氫致開裂（HIC）試驗，溶液為A 溶液（質量分數為5% NaCl+0.5% CH3COOH溶解在蒸餾水中制備）[14]。經過96 h 后取出試樣，經過清洗、烘干后，先肉眼觀察母材和焊縫試樣表面，隨后對試樣切割拋光，切割面在放大100 倍顯微鏡下進行觀察，檢查是否有裂紋。試樣的裂紋敏感率CSR、裂紋長度率CLR 和裂紋厚度率CTR 計算要求如圖1 所示。試驗完成后采用蔡司LSM-700 激光共聚焦顯微鏡和Leica 金相顯微鏡對其分析測量。每一截面應用式（1）～式（3）計算，并計算出每個試樣的平均值。

圖1 試樣的CSR、CLR和CTR計算要求

式中：a——裂紋長度，mm；

b——裂紋厚度，mm；

W——截面寬度，mm；

t——試樣厚度，mm。

采用四點彎曲試驗（FPBT），在管體上分別切取試樣尺寸為115 mm×15 mm×3 mm 的母材和焊縫試樣。采用美國CORTEST 集成式氫致開裂測試系統，按照GB/T 4157—2017《金屬在硫化氫環境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試驗方法》要求的E 法進行應力腐蝕試驗（SSC），溶液為A 溶液（質量分數為5% NaCl+0.5% CH3COOH 溶解在蒸餾水中制備）[15]。加載應力分別為66%σs和72%σs經過720 h 后取出試樣。隨后對試驗后氫致開裂（HIC）和應力腐蝕（SSC）試樣采用日立S-3700N 掃描電子顯微鏡、蔡司LSM-700 激光共聚焦顯微鏡進行分析。

2 結果及分析

2.1 微觀組織

圖2所示為120 ksi小油管母材及焊縫金相組織形貌。由圖2可知，母材組織以多邊形鐵素體和粒狀貝氏體為主，組織均勻，晶粒度均為12級，帶狀組織1.5級，非金屬夾雜物最大為D類1.0級。

圖2 小油管母材及焊縫微觀組織形貌

2.2 拉伸性能

采用全管體拉伸方法對管材強度進行測試，結果見表2。可以看出，樣管屈服強度為867 MPa，抗拉強度為936 MPa，斷后伸長率為20.5%，屈強比為0.93，管材具有較高的強度和塑性，拉伸性能滿足設計要求。

表2 拉伸試驗結果

2.3 管材硬度

圖3為120 ksi小油管硬度檢測位置及檢測結果。可以看出，硬度由大到小依次為：母材＞HAZ＞焊縫，管體硬度控制在285HV10～333HV10，根據標準ASTM E140-07 換算為洛氏硬度為29.4HRC～35.1HRC。

圖3 120 ksi小油管硬度檢測位置及結果

2.4 氫致開裂（HIC）試驗

120 ksi 小油管焊縫和母材HIC 試驗結果見表3，經HIC 試驗后，母材和焊縫表面均出現裂紋。對母材和焊縫樣品切割拋光后，采用日立S-3700N掃描電子顯微鏡觀察母材和焊縫氫致開裂裂紋形貌，如圖4 所示。通過圖4（a）可以看出，母材樣品裂紋有細小分支，表現出呈樹枝狀擴展的特點，而圖4（b）可見焊縫樣品裂紋明顯比母材的寬且深，這也與表3 檢測結果一致。參照GB/T 9711—2017《石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管》附錄H 中裂紋敏感率CSR≤ 2%、裂紋長度率CLR≤ 15%、裂紋厚度率CTR≤ 5%的要求，120 ksi 小油管母材及焊縫的氫致開裂敏感參數均不能滿足標準要求。以上分析表明，120 ksi 小油管母材及焊縫對氫致開裂較敏感。

圖4 120 ksi小油管母材及焊縫掃描電鏡（SEM）照片

表3 120 ksi小油管HIC敏感參數測試結果

2.5 應力腐蝕開裂（SCC）試驗

120 ksi 小油管焊縫和母材SCC 試驗結果見表4，宏觀照片如圖5 所示。在72%σs應力水平下，母材及焊縫樣品均發生應力腐蝕開裂；在66%σs應力水平下，母材樣品未發生應力腐蝕開裂，焊縫樣品發生應力腐蝕開裂。對樣品清洗后，采用Zeiss 光學顯微鏡放大10 倍對試樣的拉伸面進行檢查，72%σs應力加載的母材及焊縫樣品、66%σs應力加載的焊縫樣品在厚度方向均出現明顯裂紋及腐蝕坑。

圖5 120 ksi油管母材及焊縫SCC試驗后宏觀照片

表4 120 ksi油管應力腐蝕開裂測試結果

針對66%σs應力加載下未發生斷裂的母材樣品，采用Zeiss 光學顯微鏡放大100 倍觀察，可見樣品表面出現大量細微裂紋，裂紋的方向垂直于試樣厚度方向，微裂紋形貌如圖6 所示。采用蔡司LSM-700 激光共聚焦對裂紋深度進行測量，裂紋最深位置深度達100 μm，如圖7 所示。檢測結果表明，雖然66%σs應力加載下的母材樣品未出現斷裂，但其表面也出現大量腐蝕微裂紋，因此也應判定為不合，可見120 ksi 小油管在66%σs應力加載下仍不能滿足抗SCC 性能的要求。

圖6 66%σs應力加載未發生斷裂的母材裂紋微觀形貌

圖7 120 ksi油管母材激光共聚焦下裂紋微觀形貌

3 結果與討論

120 ksi 小油管試樣裂紋敏感率CSR、裂紋長度率CLR、裂紋厚度率CTR 均較高，表明其抗氫致開裂敏感性較高。為進一步評價管材性能，開展了72%σs、66%σs兩種應力加載下的SCC 應力腐蝕試驗，結果表明試樣在66%σs應力加載下仍不能滿足抗SCC 性能的要求，作為油氣管材，繼續開展低于66%σs應力加載下SCC 試驗已無實際工程意義。

屈服強度達到120 ksi 小油管母材組織以多邊形鐵素體和粒狀貝氏體為主，晶粒度均為12級，帶狀組織1.5 級，非金屬夾雜物最大為D 類1.0 級，整體管材組織均勻，帶狀組織及非金屬夾雜物控制均較嚴格，但在抗氫致開裂方面表現較差。分析其原因，高強鋼中硫化物引起的金屬開裂普遍認為是氫脆所致，正是由于H2S中氫原子擴散到裂紋前緣的金屬內部，使氫脆更快發生。有學者從微觀角度分析，腐蝕所引起的內部氫脆可分為以下階段：氫原子的化學吸附→溶解（吸附）→點陣擴散→氫原子聚集形成氫氣分壓→裂紋或氣泡。影響材料抗硫化氫應力腐蝕性能的主要因素有顯微組織、強度、硬度以及合金元素等。顯微組織方面，通常不同組織對應力腐蝕開裂敏感性排序為（由低到高）：鐵素體中球狀碳化物組織、完全淬火和回火組織、正火和回火組織、正火后組織、淬火后未回火的馬氏體組織。本研究樣管組織以“鐵素體+粒狀貝氏體”為主，在應力腐蝕試驗的過程中，氫原子隨位錯遷移，擴散富集至裂紋尖端，裂紋在強度低、高韌性的鐵素體和高強度、低韌性的貝氏體中迅速擴展，導致氫脆敏感性大。硬度方面，本研究樣管硬度達到29.4HRC～35.1HRC，高于NACE MR 0175 標準規定的管材抗硫化氫硬度要求（≤ 22HRC），驗證了管材強度的提高易誘發的SSC敏感性。合金元素方面，C、Ni含量的增加，會提高鋼在硫化物中的應力腐蝕失效的敏感性，本研究樣管為保證油管的高強度，C、Ni含量也相對較高。

綜合上述試驗，驗證了管材的高強度、高硬度與抗應力腐蝕性能之間的矛盾難以協調，如何使管材具備高強度的同時具有抗應力腐蝕（SSC）性能，仍是材料學界的一項難題，高鋼級、抗硫、抗應力腐蝕管材開發仍需要開展成分、組織、帶狀、夾雜物等試驗研究。

4 結 論

（1）120 ksi 小油管屈服強度為867 MPa，抗拉強度為936 MPa，斷后伸長率為20.5%，組織以多邊形鐵素體和粒狀貝氏體為主，晶粒度均為12級，帶狀組織1.5級，非金屬夾雜物最大為D類1.0級，硬度為29.4～35.1HRC，管材理化性能控制較好。

（2）120 ksi小油管對氫致開裂較敏感，氫致開裂試驗樣管母材和焊縫裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）均較高。

（3）120 ksi小油管抗應力腐蝕性能較差，樣管在66%σs應力加載下仍不能滿足抗SCC性能的要求。

（4）管材的高強度、高硬度易誘發嚴重的SSC 敏感性，高鋼級、抗應力腐蝕管材開發仍需開展進一步研究。