X120管線鋼的微觀組織、韌性及腐蝕的分析

馮寧波 李喜慶 陳震 劉西暢

摘 要：隨著世界范圍內(nèi)石油和天然氣需求量的日益增長，選用更為安全、經(jīng)濟可靠的管線鋼來降低長距離油氣輸送管線的建設成本，以及提高輸運過程的穩(wěn)定性、可靠性和安全性顯得越來越重要。在油氣田使用的管線鋼系列中，X120管線鋼由于安全可靠、輸送量大，降低成本等優(yōu)勢成為現(xiàn)階段的發(fā)展態(tài)勢。X120管線鋼將會廣泛應用于天然氣管道輸送行業(yè)。

關鍵詞：X120管線鋼；焊接熱影響區(qū)（HAZ）的韌性；X120管線鋼的腐蝕。

1 X120管線鋼

1.1 X120管線鋼的成分

X120管線鋼的主要非金屬元素是碳，其次還有硫，磷，硼等。金屬元素有錳，鉬，鈮，鈦，釩等以及其他元素。

碳：管線鋼趨于向低碳方向或者超低碳方向發(fā)展，而對于X120管線鋼來說其碳含量更低。其作用在于提高鋼的強度和硬度。

硫：硫會嚴重惡化管線鋼的抗氫致開裂（管線鋼會產(chǎn)生沿軋制方向的裂紋）和抗腐蝕開裂性能，硫含量過高會使鋼的沖擊韌性急劇下降。除此之外，硫還會導致管線鋼的各向異性。

磷：磷在鋼中是一種易偏析元素。磷會惡化管線鋼的焊接性能，并且會顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，使鋼發(fā)生冷脆。

硼：抑制鐵素體在奧氏體晶界上的形核，加大貝氏體組織形成區(qū)域，從而在低碳的情況下也可以在一個較大的冷卻范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。若不加硼，則會降低鋼的塑形和韌性。而管線鋼正是趨于向低碳方向或者超低碳方向發(fā)展。

錳：錳可以提高管線鋼的強度。此外，錳可以推遲鐵素體向珠光體的轉(zhuǎn)變，降低貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度，有利于形成細晶組織。但錳含量過高也會產(chǎn)生偏析現(xiàn)象。

鉬：鉬含量過高會使管線鋼的抗拉強度升高，低溫韌性降低。

鈮：鈮是管線鋼中的微合金元素，可以產(chǎn)生晶粒細化及沉淀強化作用，并且可以改善管線鋼的低溫韌性。在低的碳和氮含量下，鈮可抑制奧氏體的再結(jié)晶。

鈦：產(chǎn)生中等程度的晶粒細化及強烈的沉淀強化作用。

釩：通過鐵素體中碳氮化合物的析出對強化起作用。

其他元素：銅能降低鋼的腐蝕速率；鎳可以增強鋼的強度，沖擊韌性，延展性和抗腐蝕性，并且會降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但鎳含量較高時，會提高裂紋擴展所需的能量，使熱裂紋傾向明顯增多。

X120鋼中的各種元素都要有一個合適的含量范圍（見表1），這樣才能充分發(fā)揮他們的優(yōu)點，并且盡量避免缺陷的產(chǎn)生，從而獲得滿足使用性能要求的管材。

1.2 X120管線鋼的組織

如圖1為X120管線鋼的金相組織光學照片。X120管線鋼要求獲得晶粒細小的組織，板條狀下貝氏體為X120管線鋼的理想組織。X120管線鋼的金相組織中還有少量的M-A組元。其中的馬氏體具有很高的強度和硬度，是強化金屬的重要途徑；而貝氏體板條之間存在狀態(tài)穩(wěn)定的殘余奧氏體，對鋼的力學性能也會產(chǎn)生有益的影響。

1.3 X120管線鋼的組織轉(zhuǎn)變

研究X120管線鋼的組織轉(zhuǎn)變就是研究過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律。鋼在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻方式分為兩種：等溫冷卻和連續(xù)冷卻。等溫冷卻時會得到過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，即TTT圖，在TTT圖中可以觀察到鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)域。而在連續(xù)冷卻時所得到的CCT圖只能觀察到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。因此，為了便于觀察和得到管線鋼中的下貝氏體組織和馬氏體組織，選用等溫冷卻是相較而言最好的辦法。

在等溫轉(zhuǎn)變過程中，奧氏體化的加熱溫度和保溫時間對奧氏體的晶粒大小和成分均勻性會產(chǎn)生影響。加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體的晶粒尺寸就增長越快，晶粒越粗大，成分也越均勻；反之加熱溫度越低，保溫時間越短，奧氏體的晶粒尺寸就增長越慢，晶粒越細小，成分越不均勻，使得奧氏體越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生轉(zhuǎn)變。據(jù)實驗研究表明，奧氏體晶粒長大速度最快的的加熱溫度和保溫時間分別在1100℃和2h左右。而且在高溫下，Nb、Mo和Ti等碳氮化物會對晶界產(chǎn)生釘扎作用，對奧氏體的晶粒長大有阻礙作用。因此，理論上對X120管線鋼需采用快速冷卻和短時保溫的方法。

此外，應力也會對奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響，拉應力會促進奧氏體的轉(zhuǎn)變，壓應力則會阻礙奧氏體的轉(zhuǎn)變。

1.4 X120管線鋼的生產(chǎn)工藝

X120管線鋼的主要生產(chǎn)工藝是熱-力控軋控冷（TMCP）工藝。圖2給出了一種X120鋼的生產(chǎn)工藝，簡稱IDQ。

在IDQ生產(chǎn)過程中，重新加熱的板坯在再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)首先進行熱軋，然后在奧氏體區(qū)域加速冷卻，最后在IDQ停止溫度下停止加速冷卻?？梢垣@得細小的薄餅狀顆粒和微結(jié)構的以下貝氏體為主的顯微組織，具有高強度、高韌性和良好的抗冷裂性能。

2 X120鋼焊接熱影響區(qū)（HAZ）的韌性

和普通管線鋼相比，X120鋼的焊接材料除應具有與母材相匹配的強度外，還應具備足夠的韌性。而焊縫的強度與韌性一般呈反比關系，強度越高，韌性就越低。在焊接過程中，焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)晶粒粗化及組織結(jié)構變化。 提高HAZ的韌性是X120成功應用的關鍵。

栗卓新等人[1]的從管線鋼焊縫的顯微組織出發(fā)，通過調(diào)整其合金成分，減少焊縫中的非金屬夾雜物，增加其中的粒狀貝氏體和針狀鐵素體等韌化相來提高鋼的韌性。杜偉等人[2]研究了不同線能量下X120管線鋼熱影響區(qū)的沖擊韌性，其研究表明，不同的線能量對應的熱影響區(qū)的韌性不同，隨著焊接線能量的增加，焊接熱影響區(qū)的沖擊功先增加后減??；當線能量為35 kJ·cm-1左右時焊接熱影響區(qū)韌性最高。陳翠欣等人[5]研究了焊接工藝參數(shù)對X80管線鋼焊接粗晶區(qū)低溫韌性的影響，其研究結(jié)果表明， 線能量對焊接熱影響區(qū)的韌性影響最顯著，然后是預熱溫度，最后才是板厚。雷玄威[12]等人的采用焊接熱模擬法，分析了X120管線鋼焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織轉(zhuǎn)變，通過控制冷卻速度和低的碳含量來促進粒狀貝氏體的形成，從而提高鋼的強韌性。

3 X120管線鋼的腐蝕

管道腐蝕一直是油氣行業(yè)的一個重要問題，其對構件壽命的危害很大。由于所處環(huán)境的因素，管線鋼總會不可避免的受到各種腐蝕。

X120管線鋼的抗硫化物應力腐蝕（SSC）性能較差，在輸送管線的失效事故中占很大比例。SSC為短期的顯著腐蝕，腐蝕情況一周到三個月便可出現(xiàn)，如圖4為硫化物腐蝕所造成的開裂的金相組織照片。SSC受硫化物濃度、水含量、溫度和PH值等因素影響。其中硫化物的濃度影響最為顯著，硫化物水溶液中的氧氣和氯離子作用互斥，氧氣會加快腐蝕速率，而較高氯離子濃度時，會使腐蝕速率降低。因此，為了防止SSC腐蝕，理論上可以采用在管道周圍增加涂層進行陰極保護來減緩氧化過程并且定期撒氯鹽和清理污水來降低腐蝕速率。

應力腐蝕也是失效的重要原因之一。拉應力不會導致管線鋼的應力腐蝕開裂，壓應力會使管線鋼產(chǎn)生應力腐蝕開裂，并且壓應力越大，裂紋的擴展速度越快?，F(xiàn)實生活中輸送管道的應力來源于三個方面；管道所承受的載荷、殘余應力和腐蝕產(chǎn)物的體積應力。如圖5為應力所造成的開裂的金相組織照片。因此，為了防止和減少應力腐蝕開裂的影響，在管道熱處理時進行噴丸以消除殘余應力并且改進設計結(jié)構以避免應力集中。由于焊接接頭中的化學成分和冶金結(jié)構的不均一，以及殘余應力的存在，使得焊接接頭更易被腐蝕。

綜上，為了提高管道的安全性、完整性和延長管線的使用壽命，研究人員分別從管線設計人員和焊接工作者的角度出發(fā)，提出了一些緩解腐蝕的策略。對于管道的設計者來說，適當選擇管材和管道表面涂層材料，選擇合適的材料涂層技術。由于焊接接頭更容易受到腐蝕，因此接頭質(zhì)量對于最小化管道的腐蝕起著至關重要的作用。在焊接施工前，焊工應該詳細了解焊接耗材的選擇、表面制備、焊接工藝的選擇、焊縫表面的修整、預熱/互通溫度的使用以及焊后熱處理等。其他腐蝕的措施是防止缺陷形成、使用鈍化處理和去除氫源。

4結(jié)論及展望

本文在內(nèi)容上對X120管線鋼的微觀組織、韌性及腐蝕進行了分析。整個分析過程以X120管線鋼的成分為基礎，通過分析其組織轉(zhuǎn)變來確定合適的生產(chǎn)工藝，并加以考慮在這種生產(chǎn)工藝下X120管線鋼的韌性及腐蝕情況。

高品級的材料讓我們的生活變得越來越豐富多彩，雖然對于材料領域的研究還有許多的難題等著我們?nèi)タ朔?，這也要求我們需要進行更深層次的研究。但我們要相信，國人的力量是強大的。材料的世界是五彩繽紛的，是波瀾壯闊的，它將吸引著我們邁進更廣闊的天地，而我們每個人也將在這片天地中創(chuàng)造出屬于自己的光彩。

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