碳锰元素含量对X65MS 管线钢抗氢致裂纹性能的影响

翟冬雨

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035）

当今世界为了满足石油天然气开采运输过程的严苛要求，综合力学性能优异，具有良好的抗氢致裂纹（HIC）性能的管线得到大力推广，是未来发展的方向［1-4］。相关研究表明，钢中成分偏析产生的带状组织是影响抗HIC 性能的主要因素之一［5］。各个元素在钢中分配比不同导致元素产生的中心偏析的能力不同，其中C、Mn、P、S 元素易产生偏析。在实际生产中，P、S 元素含量已控制到极低水平，因此C、Mn 元素产生的偏析对耐H2S 腐蚀抗HIC性能产生极大影响。本研究针对南京钢铁股份有限公司（简称南京钢铁）已有的X65MS 管线钢生产工艺，设计异炉同浇次试验钢成分，探究C、Mn 元素含量对X65MS 管线钢抗HIC 性能的影响。

1 成分设计

抗酸耐腐蚀管线钢在使用过程中容易因氢致开裂而遭到严重破坏，这就要求其不但具有良好的力学性能、焊接性能和加工性能，还要拥有良好的抗HIC 性能。大量研究结果显示［5］，成分偏析产生的带状组织是导致氢致开裂的主要原因之一。P、S元素极易发生偏析，是恶化钢材抗HIC 性能的主要元素，因此必须严格控制P、S 元素含量；提高钢中C 元素含量，钢材强度得到改善，但当C 元素含量增加到一定量将会加剧Mn、P 元素的偏析，碳化物的偏析现象也会加重，将会降低管线钢抗HIC 能力，因此C 元素含量必须控制在一定范围。相关研究表明［6］，H2S 气氛使用的抗酸耐蚀管线钢C 元素含量应低于0.05%；适当添加Mn 元素可以提高钢材强韧性，减弱S 元素的有害作用，提高管线钢的抗 HIC 性能。但有研究表明［7－8］，当 w（Mn）≥1.2%，钢材的裂纹敏感性将显著增加，因此Mn元素的添加也应适量。

为了探究C、Mn 元素含量对X65MS 管线钢的抗HIC 性能的影响，结合现场生产工艺条件设计了C 元素含量分别为0.045%、0.025%，Mn 元素含量分别为1.35%、1.05%的同浇次两炉X65MS 管线钢成分，严格控制P、S 元素含量，其中为了弥补2 号试验钢因C、Mn 元素含量的下降而导致强度的下降，适当增加Ni、Cr、Cu 元素的含量。X65MS抗酸腐蚀管线钢化学成分见表1，X65MS 钢级31.75 mm×1 804 mm 轧制规格 1～2 号试验钢钢板的力学性能要求见表2。

表1 X65MS 抗酸腐蚀管线钢的化学成分（质量分数）%

表 2 X65MS 钢级 31.75 mm×1 804 mm 轧制规格1～2 号试验钢钢板的力学性能要求

2 X65MS 管线钢铸坯低倍质量

南京钢铁针对X65MS 管线钢高纯净度、良好铸坯质量的要求，在炼钢过程严格控制P、S 等有害元素，确保钢水有精确的成分和较高的纯净度水平。连铸过程采用动态轻压下、动态二次冷却水、自动控制等技术进行综合控制，确保铸坯质量的稳定。根据YB/T 4003—2016《连铸钢板坯低倍组织缺陷评级图》对1 号、2 号试验钢铸坯进行评价，1 号试验钢中心偏析B 类0.5 级、中间疏松1.5 级、中间裂纹0.5 级；采用低C、低Mn 元素设计的2 号试验钢铸坯无中间裂纹、角裂纹、蜂窝状气泡等缺陷，偏析级别达到C 类0.5 级水平，中间疏松达到0.5 级。采用低C、低Mn 元素设计的2 号试验钢铸坯质量较1 号试验钢有了大幅度提升。

3 X65MS 轧制工艺设计及性能检测

3.1 轧制工艺设计

为了减轻钢板心部偏析对HIC 性能影响，采用高温加热，促进铸坯心部偏析元素向铁素体扩散，坯料加热温度设定为（1 200±10）℃；轧制过程采用TMCP 热机械控制工艺控制轧制，二阶段开轧温度设定为（880±10）℃，终轧温度设定为（850±10）℃；轧后采用快冷工艺，消除或减少钢板心部带状组织，开始冷却温度设定为（800±10）℃，终冷温度设定为（500±10）℃，冷却速度为 5 ℃/s。

3.2 理化性能检测

采用同种轧制工艺试制钢板，然后检测其理化性能，力学性能检测数据如图1 所示。由图1 可见，试验钢拉伸性能、冲击吸收功富裕量较大，均满足客户使用要求。

4 X65MS 试验钢板组织分析

对1 号和2 号试验钢采用相同的TMCP 工艺进行轧制，生产出的X65MS 管线钢板力学性能满足API Spec 5L—2018《管线钢管规范》要求，从钢板厚度中心位置分别切取一定尺寸金相试样，分别用400～2 000 目砂纸逐步打磨并抛光，采用4%的硝酸酒精溶液对试样进行浸蚀，在金相显微镜下进行组织观察，1 号试验钢、2 号试验钢显微组织如图2所示。从图2 可以看出，1 号试验钢组织为铁素体+少量珠光体，有一定带状组织，其中珠光体呈多边形、条状等不规则形状，铁素体呈多边形状；2 号试验钢组织为铁素体+极少量珠光体，无带状组织，其中珠光体呈球状，铁素体呈多边形，基本上为单一铁素体组织，这对于抗HIC 性能是有利的。众多学者研究的结果表明［9－15］：钢材中存在的带状组织、软硬相交界处、MnS 夹杂和其他不规则夹杂物，都是极易发生氢致开裂的部位。这是因为钢中H 极易在上述缺陷处扩散，从而导致氢致裂纹迅速扩展，铁素体组织拥有良好的阻碍H 在钢中扩散的能力，进而阻止氢致开裂行为的发生。2号试验钢基本为单一的铁素体组织，无带状组织；因此，在相同的冶炼与轧制条件下，较低C、Mn元素含量的成分设计对产品抗HIC 性能更为有利。

图1 试验钢力学性能检测数据

图2 钢板显微组织

5 抗 HIC 性能

X65MS 试验钢板抗HIC 性能检测按照NACE TM 0284—2016《管道和压力容器用钢抗氢致开裂性能评价的试验方法》进行，试验溶液为A 溶液（质量分数为0.5% CH3COOH 和 5% NaCl 混合溶液，并充饱和 H2S 气体，初始溶液 pH 值为 2.7～3.0），试验温度为（25±3）℃。试验主要步骤为：①将清洗好的试样放入试验容器中，层与层之间以玻璃棒隔开，然后密封试验容器；②将盛有试验溶液的容器和装有试样的试验容器分别通入N2除氧，N2的流量为每升容积100 mL/min，1 h 后，将除氧完全的试验溶液导入装有试样的试验容器中，继续除氧1 h，N2流量为每升溶液100 mL/min，而后关闭N2阀；③打开H2S 阀，以每升溶液200 mL/min 的气体流量向试验容器中通入H2S 气体，1 h 后，调小H2S 气体流量，保持H2S 气体为微正压，持续96 h；④试验结束，测量溶液pH 值（pH=3.8），取出试样并清洗干净；⑤按标准要求进行线切割，打磨抛光后制成金相块，并采用Zeiss 光学显微镜进行低倍观察，裂纹典型形貌如图3～4 所示，测量计算结果见表 3。

试验钢在HIC 检测结果虽然都符合标准要求，但抗氢致开裂性能却有一定区别。采用高C、Mn元素设计的1 号试验钢板，有一定的裂纹敏感性，在条件恶劣的情况下更容易产生裂纹，从而导致材料性能失效；采用低C、Mn 元素设计的2 号试验钢板没有出现任何裂纹，具有优异的抗氢致裂纹性能。通过试验对比验证，为了提高产品抗氢致裂纹性能，随着管线钢级的提高，应当适当地降低产品的碳锰含量，从而提高产品抗HIC 性能稳定性。

6 结 语

图3 1 号试验钢典型HIC 裂纹

图4 2 号试验钢典型HIC 裂纹

表3 X65MS 试验管线钢抗HIC结果 %

在冶炼轧制生产控制工艺一致的基础上，在同一连铸浇次过程中选择两炉次试验钢进行试验，试验结果表明：采用低C、Mn 元素成分设计的试验钢，容易形成单一的铁素体组织，且无带状组织，通过 HIC 试验检测，CLR、CTR 和 CSR 都为 0，抗氢致裂纹性能更为优异与稳定；采用高C、高Mn 元素含量成分设计的试验钢，有一定量的中心偏析和中心疏松，HIC 试验检测，CLR 为5.02%、CTR 为1.32%和CSR 为0.14%，有产生裂纹的倾向，抗HIC 性能稳定性差。因此，采用低C、Mn元素成分设计方式更容易生产出性能稳定的厚壁高钢级抗酸耐腐蚀管线钢管。