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分享:硫化锰混合夹杂物对管线钢氢致开裂的影响

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浏览:- 发布日期:2022-10-31 14:10:39【

张敬蕊,胡庆利,高建锋,刘兰霄,李 晓,赵 鑫

(北京首钢股份有限公司,迁安 064400

摘 要:采用光学显微镜扫描电子显微镜能谱仪等分析了氢致开裂管线钢试样的夹杂物形貌 和成分,结合试验对管线钢的开裂原因进行了综合分析,并提出了工艺优化措施,结果可为抗酸腐 蚀管线钢的生产和研发提供借鉴

关键词:管线钢;硫化锰;硫化氢;混合夹杂物;氢致开裂;阶梯状裂纹

中图分类号:TF4 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)08-0009-04

石油天然气中含有大量的 H2S,CO2 等气体,气体会对输送天然气的管道材料造成严重腐蚀力腐蚀开裂(SCC)试验和抗氢致开裂(HIC)试验是检 验管线钢性能确保输油管正常运行的重要方法笔者对在氢致开裂试验中出现腐蚀裂纹的管线 钢进行分析,对裂纹处的非金属夹杂物进行统计,究了硫化锰混合夹杂物对管线钢氢致开裂性能的影 ;结合管线钢的生产工艺,综合分析了管线钢腐蚀 出现主要,制措施,为抗酸 管线的生和研

1 试验方法 

1.1 试验材料 

试验材料为 X65MS 抗酸腐蚀管线钢,其最低 屈服强度为450MPa,经过正火处理,其主要化学成 分如表1所示


1.2 H2S腐蚀试验方法

按照 NACETM02842011管线钢和压力容 ,H2S1,H2S试验过程如图2所示(1)选取48个试样,将每个试样的6面进 行水磨或干磨,所有试样表面均需要用200 # 磨抛光(2),,脂后,,24h(3)配制试验所需溶液,测试并记录其pH洗试样后,将其装夹在特制的有机玻璃夹上,并放试验容器中,接着把溶液注入容器,将容器密封(4)为了防止试样表面被氧化,减少氧化作用对 渗氢的影响,要向容器中通入氮气来置换溶液中溶解 的氧气停止通入氮气后,开始以200mL/min的速 率通入 H2S气体,持续1h,直到溶液达到饱和状 ,并保持 H2S气体正压(5)用碘滴定法测定溶液中 H2S的体积分数, 最小应为2.3×10 -9,并保持溶液的饱和状态96h(6)通气结束后用氮气置换,然后将试样取出,自来水下反复冲洗,将试样表面的蛋黄色腐蚀产物用 砂纸去除干净,接着用蒸馏水清洗,并在冷风下吹干。 


1.3 观察分析方法 

对试样表面进行宏观观察,如有氢鼓泡,用数码 相机拍下照片试样纵截面经过机械磨抛后,利用 DMI-5000M 型光学(OM),EVO MA15扫描电子显微镜(SEM),能谱(EDS),ASPEX 大型非金属夹杂物全自动分析仪对夹杂物进行观察 分析

2 试验结果与分析 

2.1 夹杂物的种类 

管线钢中常见的夹杂物为硅酸盐铝酸钙氮化硫化锰等4种夹杂物均对氢致裂纹的产生 有较大影响钢与夹杂物的界面容易形成孔洞或者 微裂纹氢致开裂是指在金属中存在氢或氢与金属交互 作用引起开裂而导致其失效的现象,也称为氢脆[1]氢原子进入管线钢后,易富集在 MnSFe的界面 C,Mn,P等元素偏析的异常组织中[2],在较高拉 应力状态下的区域或各种捕集氢的陷阱处扩散富 ,引起钢材脆化开裂该类裂纹为突发性裂纹,纹扩展迅速,从裂纹形成到断裂有的只需几小时1 # 试样经 H2S腐蚀后,发现较大尺寸的裂纹, 裂纹长度为139.4μm(见图3)。SEM 下观察,裂纹形貌呈长条枣核状,裂纹两端尖锐并有延伸,中间宽大并伴有大量暗黑色夹杂物。 


1 # 试样的裂纹区域进行面扫描,结果如图4 所示图中明亮区域覆盖程度和亮度分别代表该元 Al, Ca,O ,,Mg,S,Ti, 说明这是一个以铝酸钙为主的混合型夹2 # ,的灰长条沿, 连续且两端呈尖锐状,分布较均匀对长条状夹杂 物进行能谱分析,夹杂物的能谱分析位置如图5,能谱分析结果(见表2)表明该类夹杂物为硫硫化物数量越多,带状分布越明显,氢致开敏感性越强,所以应严格控制硫化物的含量及形态 分布3 # 试样边缘,物存 ,两端角圆顿3 # ,能谱分析位置如图6所示,(3)表明夹杂物中主要有 O,Al,Ca,Mg,Fe, 可知裂纹处的夹杂物是由铝酸盐(CaO·nAl2O3)、 铝镁尖晶石(MgO·Al2O3)及氧化铁等组成的,夹杂物为 B类夹杂物。 


4 # 试样的裂纹处有长条状灰色夹杂,夹杂 物周围分布着大量浅灰色长方形夹杂物,进行能谱分析,分析位置如图7所示,谱分(见表4)表明该类夹杂物主要是 Ti,Nb,并有少量的 F 元素可知这是一个 以 长 条 状 MnS夹杂物为


从以上试验结果可以看出:1 # 3 # 纹源处主要为混合的钙铝酸盐夹杂物;2 # 中存 在着大量长条状的 MnS 夹杂物,但是并未发现;4 # 试样中是长条状 MnS夹杂物和 Nb,Ti析出物的混合物,并且在析出物周边存较多的微 裂纹综合分析可知,夹杂物主要可分为3:以铝酸 钙为主的混合型夹杂物;以长条状 MnS为主的混合 型夹杂物;长条状 MnS夹杂物和 Nb,Ti元素析物的混合物。 


2.2 MnS混合夹的尺布 

一般而言,的夹害的,且其析出条 件和形态分布相对比较复杂,其中硫化锰夹杂物的 尺寸形状和分布对钢的性能影响很大在成品钢 ,夹杂物多是钙铝酸盐和硫化锰夹杂物尺寸大 多小于5μm国内外学者对夹杂物影响氢致开裂的研究结果 基本一致一方面,钢中硬脆相夹杂物(CaO Al2O3)使,1 # ,3 # ,,使畸变严重;,MnS,可轻易吸收并在空隙周围聚集氢原子析可知,2 # 4 # 试样中均含有 MnS夹杂物,其是2 # 试样中 MnS夹杂物的含量很高,可是并没 有在 MnS夹杂物周围发现裂纹

2.3 工艺优化 

抗硫管线钢要求有极高的纯净度和超低含量的 S元素,因此在冶炼过程中要严格控制 ,从源头减少硫化锰混合夹杂物的含量 S 元素的含 为改善钢材质量,控制钢中的夹杂物含量及分 ,可以对钢的制造工艺进行以下优化处理(1)铁水预处理:铁水预处理时,脱硫的目标值 0.003%,处理后进行扒渣处理,并且扒渣后要保证 未被脱硫渣覆盖的铁水表面面积超过全部的95%(2)转炉冶炼:转炉冶炼过程中,将造渣的 pH 控制在3.5~4.0,全程吹氩,采用程采取挡渣出钢,保证渣层厚80 mm,钢过程采用铝铁进行脱氧合金化出钢后,高铝100kg,3min,流量48Nm 3/h(3)LF():LF 控制,,脱硫5min~15min,造渣和强搅 拌过程中保持炉内的还原性气氛(4)RH(钢液真空循环脱气法)精炼:按抽深真 ,20min,, 10 min,200kg保温(5):盖剂,使 用低碳


3 结论

(1)H2S腐蚀环境下,裂纹主要在 MnS物处,连接,MnS要位于直线, 沿轧制方向扩展,裂纹长度较长,深度MnS ,而且(2)线BS,Al5μm杂物(硬脆相 CaO Al2O3)对氢核有促(3)MnS夹杂物周围附着的一Nb,Ti 的碳氮化 物 的 边 部 都 有 裂 纹 产 生,MnS夹杂物周围裂纹的产生趋势不明显多边形 夹杂物长条MnS更易(4)MnS,MnS 夹杂物周围未发现裂纹。 

: [1] ,穆海,.X52管线钢抗氢致纹成因分析[J].(物理分册),2013,49(4): 270-273,278. [2] ,,,.GB/T105612005 [J].(),2021,57(1):15-18.

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