形变与残余应力对管线钢氢致开裂行为的影响

李 轩,刘道新,徐子鹏,白真权

(1.西北工业大学腐蚀与防护研究室,西安710072;2.中国石油天然气集团公司石油管材研究所,西安710065)

·试验研究·

形变与残余应力对管线钢氢致开裂行为的影响

李 轩1,刘道新1,徐子鹏1,白真权2

(1.西北工业大学腐蚀与防护研究室,西安710072;2.中国石油天然气集团公司石油管材研究所,西安710065)

为探讨管线钢服役过程中和性能检验时引入的塑性变形及残余应力对钢的氢致开裂(HIC)敏感性行为的影响,选用低强度的X52钢和高强度的X80钢进行了试验研究,探讨了力学因素和焊接组织对管线钢的HIC敏感参数测试结果的影响,并利用电子探针分析了成分偏析对 HIC成因的影响。结果表明,管线钢的HIC敏感性与显微组织、化学成分偏析及应力状态有密切的联系;钢的形变和残余应力状态对其 HIC敏感性的影响依赖于钢的固有 HIC敏感性大小,钢的固有HIC敏感性愈高,形变和残余应力的影响愈为显著;从钢管上直接取样进行 HIC试验评价更能揭示管线钢固有的HIC敏感行为,采用机械展平法制备试样进行HIC敏感性检验则可能会引起误判后果,尤其是对于小口径管线钢。

管线钢;氢致开裂;残余应力;形变

管线钢在含H2S的酸性油气环境中,由于电化学腐蚀使钢内吸收氢,氢原子在钢内微观组织结构不连续区域聚集,形成阶梯形裂纹和/或表面氢鼓泡,即为氢致开裂(HIC),由此导致管壁的有效厚度减薄,服役性能降低。随着石油天然气工业的快速发展,长寿命、高安全性的石油和天然气开发及输运愈来愈重要,因此要求油气管线钢必须具备良好的抗HIC性能,这一要求目前已纳入国际标准和国家标准对油气钢管交货的技术条件[1]。

油气输送焊管是由热轧卷板经过成型焊接和精整等过程制成的,其内部不仅有焊接残余应力,而且也有成型内应力,同时在服役过程中要经受地震、滑坡、泥石流、水土流失等各种因素的影响,这些因素都会造成埋地管线钢产生形变,并且会引入一定的内应力。另外,管线钢HIC敏感行为的试验评价标准[2-3]规定,钢管试样坯料可以通过机械方式展平后进行HIC评价试验。但在实际操作时,为了制样方便也常常先采用机械方法将钢管展平,尔后再机械加工成标准的平整试样。显然,机械方法展平钢管的过程会人为造成试样永久性塑性变形,在试样内部引入残余应力,并且管径愈小,塑性变形量和残余应力愈大,这样必然会导致HIC敏感性的试验结果与管线钢固有的 HIC行为出现差异。目前,对成分、组织结构、强度级别、焊接工艺和环境因素等影响管线钢 HIC敏感行为的研究较为广泛[4-5],但针对形变及残余应力对管线钢 HIC行为影响的研究尚很少见报道。为确保管线钢的安全使用和科学合理地评价管线钢的HIC敏感行为,研究形变及残余应力对管线钢HIC敏感行为的影响规律十分必要。本文选择低强度级别的X52和高强度级别的X80管线钢,探讨形变与残余应力对管线钢HIC敏感行为的影响规律。研究结果表明,形变和残余应力对管线钢硫化物环境应力腐蚀开裂(SSCC)行为有重要的影响[6]。

1 试验

1.1 试验材料

试验用X52钢试样分别取自焊管和平板材料,钢管尺寸为∅38 mm×3 mm;X80钢试样取自焊管,钢管尺寸为∅1 219 mm×18.4 mm。2种焊管的焊接方法均为高频电阻焊(ERW),其化学成分和力学性能分别如表1～2。

表1 X52和X80管线钢化学成分 wB%

表2 X52和X80管线钢力学性能

1.2 试样

为了研究形变和残余应力对管线钢 HIC行为的影响,试样采用直接从X52和X80钢管上取样和先用机械方法展平造成管材形变再机械加工的方式取样,为了对不同强度级别管线钢的横向比较,大口径X80管线钢加工成与小口径X52管线钢相同的曲率试样后再展平,机械展平的X52管线钢试样尺寸为100 mm×20 mm×2 mm,X80管线钢为100 mm×15 mm×10mm,如图1。

在机械展平试样的长度方向分别取沿母材轴向方向和沿焊缝方向2种方式的试样,先从管子上切取毛坯,然后用液压机压平,再机械加工、精磨。对X52钢管内、外表面精车、精磨,然后截取成环状试样(如图1a);X80钢管按图1b方法切取毛坯,再机械加工、精磨制成。

为了探讨变形和应力状态对管线钢 HIC敏感性的影响,再用X52钢板直接制作对比试样,尺寸为100 mm×20 mm×2 mm,采用4点弯曲法施加0.95σs的应力进行 HIC试验,并与同等条件不受力试样进行对比。

所有试样表面粗糙度Ra≤0.8μm,平行试样取3件。

1.3 HIC试验与敏感性评定

HIC试验参照美国腐蚀工程师协会标准NACE TM0284—2003[2]进行,试验介质用 5% NaCl+0.5%冰醋酸水溶液,H2S气体通入维持饱和,溶液初始p H为3.5,溶液温度25℃±3℃,试验周期为96 h。

图1 HIC试样取样方法

试验结束后取出试样仔细清洗,观察试样表面的氢鼓泡现象,并按规定方法进行剖面和机械抛光,在金相显微镜上放大100倍进行观察,测量HIC裂纹敏感系数。用裂纹敏感率(CS R)、裂纹长度率(CL R)、裂纹厚度率(CTR)来评价 HIC敏感性,其定义分别为

式中,a为裂纹长度,mm;b为裂纹宽度,mm;W为试样宽度,mm;T为试样厚度,mm。

1.4 残余应力测试

为确定管线钢机械展平形变在试样中人为引入的残余应力大小,采用日本 D/max2200型X射线衍射应力分析仪对用机械压平法制作的试样表面残余应力进行测试。

1.5 微区成分分析

采用日本J XA-8100型电子探针对HIC试样进行微区成分分析,仪器工作参数为:电压15 kV,电流1×10-8A,束斑1μm。

2 试验结果与讨论

2.1 形变对HIC行为的影响

对HIC试样宏观观察表明,X52管线钢表面存在明显的氢鼓泡现象;X80管线钢直接取样的试样表面无明显氢鼓泡现象,但在存在残余拉应力的机械压平试样表面发现有明显的氢鼓泡现象,而在存在残余压应力的表面无明显氢鼓泡现象(如图2)。由此表明,管线钢的氢鼓泡敏感性既与材料强度有关,也与试样表面应力状态有关,残余拉应力促进氢鼓泡,残余压应力则能够抑制氢鼓泡。

图2 X80管线钢机械压平试样表面形貌

金相剖面分析表明,X52管线钢机械压平试样剖面上存在明显的开裂现象(如图3),并且裂纹沿着带状组织发展(如图3c、图3d),而在管子上直接取样的试样剖面宏观观察未发现明显开裂现象(如图4)。金相显微镜放大100倍观察表明,X52管线钢母材试样无HIC裂纹,焊缝试样存在较轻的HIC开裂现象(如表3)。

图3 X52管线钢机械展平试样剖面形貌

图4 X52管线钢直接取样剖面宏观形貌

表3 X52管线钢试样HIC敏感参数测试结果

表3结果表明,X52管线钢引入形变的机械展平法试样的HIC敏感参数显著高于直接在管材上取样的试样;X52管线钢焊缝试样的 HIC敏感性明显高于母材试样。

根据国家标准对石油天然气工业输送钢管交货技术条件的要求[1],管线钢的 HIC敏感参数满足CS R≤2%,CL R≤15%,CTR≤5%时,则认为管线钢抗 HIC性能符合要求。表3中直接取样的HIC敏感性很低,均符合标准指标要求,即管材的固有抗HIC性能达标。机械展平引起的变形使钢的HIC敏感参数均超出标准要求的指标,这是因为大形变促进材料内部位错增值,H原子的扩散与富集更为容易,同时永久性塑性形变在X52钢试样内部引入了残余应力,残余拉应力同样会促进H原子的扩散与局部富集,进而促进HIC敏感性提高。

从焊管上直接取样的 HIC试验结果反映的是焊管固有的HIC敏感性,而机械展平试样造成大的塑性形变,试样的HIC参数受到了人为引入的残余应力和形变损伤的影响,不能反映管线钢固有的HIC敏感性。

对于X80管线钢,无论是直接取样,还是机械展平试样,宏观和放大100倍的微观观察均未在试样内部发现HIC裂纹,即X80钢的HIC敏感性较低。

上述结果表明,无论对于HIC敏感性高的X52钢,还是对于HIC敏感性低的X80钢,用机械压平方式制取试样进行 HIC评价,均与管线钢的 HIC固有敏感行为存在差异,并且管材的固有HIC敏感性愈高,形变的影响愈为显著。因此,在对管线钢HIC敏感行为评价时,用机械压平方式制取试样是不可取的,应采用从管子上直接取样的方法制备试样,否则可能会导致误判的后果。另外,也说明管线钢在服役过程中的变形会促进HIC破坏。

2.2 影响HIC的材料组织和成份因素

组织结构和化学成分偏析是影响管线钢 HIC敏感性的重要因素,HIC对带状珠光体组织十分敏感[4-5,7]。分析表明,X52管线钢微观组织为铁素体+带状珠光体,HIC裂纹均沿带状珠光体发展(如图3)。钢在H2S环境中腐蚀析出的H很容易在带状组织缺陷处富集,形成高压H而促进HIC损伤。电子探针微区成份分析表明,X52管线钢中存在明显的S、Mn、C等元素的局部偏析(如图5),并且Mn与S元素易于在带状珠光体组织缺陷处富集而形成MnS夹杂物,该夹杂物与钢基体的分界面处则是HIC裂纹易于成核的区域,因而很容易促进 HIC开裂。

图5 X52钢垂直带状组织的元素分布线扫描

X80管线钢是采用控压、控冷工艺(TMCP)的微合金化钢种,具有高的韧性和强度,其显微组织以热力学稳定且对 HIC敏感性较低的细化针状铁素体组织为主(如图6),Mn/C比值比X52钢高得多。上述因素导致X80钢的抗 HIC性能明显优于X52管线钢,试样变形对X80钢HIC敏感参数的影响不明显。但是图2表明,试样变形对X80钢表面氢鼓泡则有明显的影响,其主要原因在于试样表面受材料内部的约束小,虽然X80钢的强度较高,但是对表面的约束作用与X52钢的区别不大,因而形变作用仍然会对X80钢表面氢鼓泡产生明显的影响。

图6 X80管线钢母材显微组织

2.3 应力因素对HIC的影响

表4为施加0.95σs外加应力对 X52管线钢HIC敏感参数测试值影响的试验结果,可以看出,外加应力使X52管线钢的HIC敏感性明显增高。

采用4点弯曲法加载,让试样的一个表面受张应力,另一个表面受压应力,由表3的结果可以看到,4点弯曲法加载使 HIC敏感性提高,说明拉应力对HIC敏感性的促进作用高于压应力对 HIC敏感性的抑制作用;对 CS R和CTR的影响显著,对CL R的影响较小。

X射线衍射仪对机械压平试样的残余应力测试结果表明,X52管线钢试样残余张应力面上的最大应力值约为220 MPa,X80管线钢试样残余张应力最大值约为240 MPa。X52管线钢试样残余压应力面上的最大压应力值约为-150 MPa,X80管线钢试样最大压应力值在-60 MPa以上。由此可见,人为机械形变不仅会造成材料大的塑性形变,而且在钢表面引入了比较大的残余应力,致使机械压平试样HIC敏感性高于直接截取的试样。试样中残余应力的存在会使 H向3向拉应力集中处扩散和局部富集,H浓度升高;相反,在压应力集中处H浓度降低[6,8]。

表4 施加外力对X52钢HIC敏感参数的影响

采用机械压平试样产生的塑性形变在X52管线钢试样中引入了较高的残余应力场,产生高密度位错、畸变和缺陷组织,为H的渗透、聚集提供了方便,加之X52钢固有的 HIC敏感性高,因而塑性形变明显降低了 X52管线钢抗 HIC能力,导致其HIC敏感性比钢管固有HIC敏感性显著提高。

X80管线钢表面受材料内部的约束小,残余拉应力会促进氢原子向钢次表层扩散与聚集,因而对氢鼓泡有一定的促进作用,而残余压应力则会抑制表面氢鼓泡现象的发生。

X52钢管的HIC试验结果还表明,无论是直接取样,还是人为引入形变的试样,焊缝试样的 HIC敏感性明显高于母材。这主要是由于在高频直流电阻焊接的急热和急冷过程中,短时加热重熔和快冷导致焊缝处合金元素的部分损失和焊接区的残余拉应力,形成的焊缝区在成分、组织结构、夹杂物以及应力状态方面与母材存在着较大的差异[6,9],导致焊缝HIC的敏感性明显高于母材。

3 结论

1) 管线钢的氢致开裂(HIC)敏感性受其形变和应力状态影响,大的塑性变形和高的拉应力均会使钢的HIC敏感性(包括氢鼓泡)增高,并且钢的固有HIC敏感性愈高,影响愈为明显,原因归于塑性形变和拉应力促进了H在钢中的扩散与局部富集。

2) 由于机械展平法制备 HIC试样时会造成塑性形变和引入残余拉应力,且HIC敏感性高于用直接在管材上取样法制备的试样,因此,不宜采用机械展平法制备试样进行管线钢HIC敏感性评价。

3) 高强度X80管线钢的HIC敏感性低,低强度X52管线钢的 HIC敏感性较高,且焊接接头的HIC敏感性明显高于母材试样,原因归于X80管线钢带状组织少,晶粒细,强度高,而X52钢的带状组织突出,Mn、S元素局部偏析明显。

[1] GB/T9711.3—2005,石油天然气工业输送钢管交货技术条件[S].

[2] NAC E International Standard,TM0284-2003,Item No.21215.Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking. America NACE[S].

[3] International Standard for organization,ISO 15156-2-2003.Petroleum and nature gas industrial-material for use in H2S containing environments in oil and gas production-part 2 cracking-resistant carbon and low alloy steel,and the use of cast irons.Switzerland,ISO[S].

[4] Nayak S S,Misra R D K,Hartmann J.Microstructure and properties of low manganese and niobium containing HIC pipeline steel[J] Materials Science and Engineering A,2008(494):456-463.

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[6] 刘 利,刘道新,鲜 宁,等.取样方法对管线钢应力腐蚀开裂行为影响的研究[J].石油矿场机械,2008,37 (1):51-55.

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[8] 褚武扬,乔利杰,陈奇志,等.断裂与环境断裂[M].北京:科学出版社,2000:82-153.

[9] Cesar R F,Azevedo.Failure analysis of a crude oil pipeline[J].Engineering Failure Analysis,2007(14): 978-994.

Effect of Deformation and Residual Stress on Hydrogen-induced Cracking Behaviors of Pipeline Steels

LI Xuan1,LIU Dao-xin1,XU Zi-peng1,BAI Zhen-quan2
(1.Corrosion and Protection L aboratory,Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072,China; 2.Research Institute ofTubular Goods of CN PC,Xi’an710065,China)

The low intensity X52 and high intensity X80 pipeline steels were chosen to study the Hydrogen-induced Cracking(HIC)behaviors which was influenced by plastic deformation and residual stress produced in the service environment or test procedure.The influence of mechanical and welding factors on HIC behaviors was investigated.And the electron probe micro-analysis (EPMA)also has been used to investigate the influence of micro-component segregation on origin HIC.The results show that HIC behaviors of pipeline steels are strongly influenced by the microstructure,micro-component segregation and residual stress.The HIC parameters of the pipeline steels that were influenced by the plastic deformation and residual stress situation rely on their inherent HIC sensitivity.The higher the HIC sensitivity of the steel is,the more remarkable the influence is.The direct-sampling method is more appropriate for evaluating HIC behaviors of the pipeline rather than mechanical flattening method,the latter may result in misjudgment,especially in minor-caliber pipeline steels.

pipeline steels;hydrogen-induced cracking;residual stress;plastic deformation

1001-3482(2010)04-0077-06

TE973.6

A

2009-10-28

石油管力学和环境行为重点实验室开放基金(ZYT-0601)

李 轩(1982-),男,河南光山人,硕士研究生,主要研究方向为材料的腐蚀与防护,E-mail:biluaner@yahoo. com.cn。