高壓注汽管道16Mn鋼的老化損傷表征分析

王強(qiáng)，王安泉，楊超，田旺，王芫芫

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東東營，257000)

1 引言

高壓注汽管道是油田稠油熱采的主要設(shè)備之一，它的內(nèi)部介質(zhì)是高溫、高壓的蒸汽，溫度在380℃左右, 壓力10MPa以上[1]。由于其具有工作溫度高、壓力大、易發(fā)生人為破壞、腐蝕環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，因此，在服役期內(nèi)，高壓注汽管道設(shè)備存在一定的失效概率以及嚴(yán)重的失效風(fēng)險，屬于油田在用高風(fēng)險設(shè)備[2]。因此，本文以勝利油田服役后的典型材料的高壓注汽管道為研究對象，開展長時服役后的典型高壓注汽管道材料的老化損傷表征研究，明確材料老化的宏微觀機(jī)理。

2 實驗設(shè)置

以典型的高壓注汽管道材料（16Mn）為研究對象，其中包括未服役的和已服役的材料。同時，針對未服役的初始材料，采用提升溫度及預(yù)變形的方法進(jìn)行加速老化試驗。通過對晶粒長大規(guī)律、碳化物演化特征、位錯亞結(jié)構(gòu)形貌特點(diǎn)等的研究，反演老化機(jī)理，闡明在實際工況下長時服役過程中主要的老化機(jī)制，并明確與短時加速試驗組織退化規(guī)律的異同點(diǎn)。

從材料的未服役、退役、以及中間的加速老化材料上切取試塊，用于金相試驗，設(shè)置重復(fù)試驗三組。金相試樣制備過程如下：依次用120、400、600、800目的砂紙預(yù)磨試樣，機(jī)械拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，后用酒精沖洗，吹風(fēng)機(jī)烘干。最后在Leica光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織形貌及晶粒尺寸，分析沿壁厚方向的組織有無差異性。

將經(jīng)過4%硝酸酒精溶液腐蝕后的表面干凈的金相試樣，置于掃描電子顯微鏡下，用掃描電子顯微鏡沿壁厚方向進(jìn)行組織形貌觀察，測試碳化物形貌和尺寸，及其分布情況。同時，進(jìn)行EDS能譜分析，測試碳化物成分，為確定碳化物類型提供參考。

透射電子顯微鏡使用電子束作為光源，電磁場作為透鏡，但是由于電子束的穿透能力弱，因此對所觀察的樣品厚度有嚴(yán)格要求，樣品厚度為100-200μm，樣品直徑為3mm。將制得的圓片樣品置于JEM2100型高分辨率透射電子顯微鏡下觀察，測試沿壁厚方向上碳化物類型和位錯亞結(jié)構(gòu)，采用選區(qū)電子衍射和EDAX能譜分析方法對析出碳化物類型進(jìn)行鑒定，統(tǒng)計相關(guān)信息為老化模型參數(shù)標(biāo)定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 金相組織觀察

未服役的16Mn鋼屬于珠光體型耐熱鋼，如圖1所示，組織為珠光體和鐵素體，16Mn鋼的內(nèi)壁可見明顯的帶狀組織，珠光體呈帶狀均勻分布在鐵素體之間，與鐵素體呈黑白相間的條帶狀；中間壁厚處珠光體呈較短的帶狀分布在鐵素體之中，雖然并未像內(nèi)壁處兩者呈帶狀交替分布，但也可看出珠光體具有明顯的帶狀分布規(guī)律；外壁處沒有明顯的帶狀組織，珠光體與鐵素體兩者均勻分布。內(nèi)壁與中間壁厚處呈帶狀組織分布，其可能是由管材加工工藝導(dǎo)致。就晶粒大小來看，沿壁厚方向，晶粒細(xì)小，鐵素體晶粒平均尺寸約為7μm，珠光體晶粒平均尺寸約為11μm。

圖1 未服役16Mn沿壁厚方向金相組織

如圖2所示，服役12年的16Mn組織為鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒平均尺寸約為19.6μm，珠光體平均尺寸約為8μm，其僅在內(nèi)壁處存在帶狀組織，而從中間到外壁帶狀組織消失，鐵素體和珠光體呈混合均勻分布。與未服役的16Mn相比，沿壁厚方向鐵素體晶粒長大，而且，特別是在內(nèi)壁處，珠光體帶變細(xì)變窄，斷斷續(xù)續(xù)，由此可見，長時服役導(dǎo)致珠光體含量下降。同時，出現(xiàn)了一些針狀鐵素體，從晶界向晶內(nèi)生長，插入珠光體晶粒中。

圖2 服役12年的16Mn鋼沿壁厚方向的金相組織

3.2 SEM觀察及EDS分析

如圖2（1）所示，未服役的16Mn材料沿壁厚方向，珠光體是由致密的片層狀滲碳體和鐵素體組成，在內(nèi)壁處珠光體呈帶狀分布，外壁處帶狀組織消失。同時可見，在鐵素體基體內(nèi)有細(xì)小、彌散分布的白色顆粒，原本在SEM下呈暗色的鐵素體晶界也發(fā)白變亮，呈現(xiàn)凸起。對這些白色顆粒及晶界進(jìn)行EDS點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，如圖3（1）所示，在鐵素體基體內(nèi)彌散分布的白色顆粒的C元素含量大于鐵素體基體的C元素含量，由于沒有其他的合金元素，因此可能為細(xì)小的滲碳體顆粒。而發(fā)亮凸起的晶界處的元素成分和含量與珠光體內(nèi)滲碳體的元素成分和含量基本一致，因此推斷發(fā)亮凸起的晶界是網(wǎng)狀滲碳體，這可能與材料在熱處理后冷卻緩慢有關(guān)。

如圖2（2）所示，服役12年的16Mn晶界及鐵素體基體內(nèi)并未析出明顯的碳化物，晶界上存在少量的網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀滲碳體，鐵素體基體內(nèi)有極少量的白色顆粒，尺寸極小，以及少量的夾雜物顆粒，只有少量的珠光體發(fā)生發(fā)散，片層狀滲碳體碎化，球化并不明顯。沿壁厚方向?qū)ζ溥M(jìn)行EDS點(diǎn)掃描分析，結(jié)果如圖3（2）所示，鐵素體基體內(nèi)的少量白色顆粒中，Mn元素含量略高，雜質(zhì)元素S的含量較高。

圖3 未服役和服役12年的16Mn鋼沿壁厚方向的SEM形貌

圖4 未服役和服役12年的16Mn鋼沿壁厚方向的EDS分析

3.3 TEM觀察

如圖5（1）所示，未服役的16Mn的組織為典型的珠光體和鐵素體。由于加工工藝的影響，其晶界處存在網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀滲碳體。而16Mn材料在服役12年后沒有析出明顯的碳化物，晶界上仍是網(wǎng)狀滲碳體，同時晶內(nèi)存在一些夾雜物，其中Mn、S元素含量較高。

圖5 未服役的16Mn的顯微組織

4 結(jié)論

根據(jù)金相組織觀察、SEM觀察、EDS分析以及TEM觀察的結(jié)果，16Mn屬于珠光體型耐熱鋼，未服役態(tài)的組織是珠光體和鐵素體。而高壓注汽管道在高溫高壓環(huán)境下長期服役會發(fā)生材料的老化，由于材料屬于珠光體型耐熱鋼，因此長時服役下的老化主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

①隨著服役時間的增長，鐵素體晶粒會顯著長大，沿壁厚方向上差別不大，珠光體含量會逐漸減??；

②隨著服役時間的增長，在高溫環(huán)境下，珠光體會發(fā)生球化，首先是珠光體內(nèi)片層狀滲碳體發(fā)散、碎化，逐漸變成球狀，并聚集長大，組織中的珠光體含量顯著減少，珠光體完全球化后，則組織中的珠光體區(qū)域形態(tài)特征消失，只留有少量碳化物，但此次研究的16Mn在服役期內(nèi)未發(fā)生嚴(yán)重球化。

③隨著服役時間的增長，在發(fā)生珠光體球化的同時，由于溫度的作用加速了合金元素和碳元素的擴(kuò)散，因此在晶界處會析出碳化物，隨著碳化物在晶界處聚集、數(shù)量增多，逐漸呈鏈狀分布在晶界。在析出碳化物的過程中，固溶在晶粒內(nèi)的合金元素會逐漸擴(kuò)散到晶界上，形成碳化物，從而削弱合金元素的固溶強(qiáng)化作用，削弱材料的力學(xué)性能。