L245NS鋼在濕硫化氫環(huán)境下腐蝕行為研究

任艷輝 黃繼超 蒲 哲 劉永良 劉 建 曾云帆

（1. 中國(guó)石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達(dá)州 635000；2. 西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

輸送油氣的管道在濕H2S環(huán)境下，H損傷主要包括兩種形式：應(yīng)力腐蝕（SCC）與氫致開(kāi)裂（HIC），它們所引起的失效大多是在事前無(wú)可見(jiàn)預(yù)兆而突發(fā)的脆性斷裂，甚至可引起工業(yè)設(shè)備爆炸，破壞及危害極大[1-3]。

某地區(qū)石油天然氣富含H2S，油氣田站外基本采用245NS PSL2材質(zhì)管線，在早期該材質(zhì)管道服役狀態(tài)良好，未發(fā)生過(guò)管道失效事故。經(jīng)過(guò)4年以上開(kāi)發(fā)，該地區(qū)油氣資源含硫量日漸增高，尤其是H2S含量，比開(kāi)采之初高了19%，H2S濃度的提高會(huì)增加材料H損傷的敏感性，故此研究該材質(zhì)管線鋼在高濃度H2S環(huán)境下服役狀態(tài)對(duì)該油氣田生產(chǎn)安全有重要意義。本實(shí)驗(yàn)選用該地區(qū)某天然氣處理站集氣支線所采用的L245NS管線鋼，對(duì)其直管段及焊管段進(jìn)行高酸性環(huán)境下（高硫化氫、高壓、高腐蝕性介質(zhì)）適用性試驗(yàn)評(píng)價(jià)分析評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品分析

試驗(yàn)用試樣由材質(zhì)為L(zhǎng)245NS的直管段及焊管段上取樣制備而成，選取管內(nèi)壁腐蝕坑部位、涂層部位等截面，樣品尺寸為15×15mm，水砂紙逐級(jí)打磨到2000#，拋光。采用4%硝酸酒精進(jìn)行金相刻蝕，刻蝕后將試樣用去離子水清洗干凈，酒精吹干。其表面無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂紋，白點(diǎn)，氣孔等缺陷。采用SPECTRD直讀光譜儀對(duì)其元素進(jìn)行分析，其化學(xué)成分如表1所示。采用WDW-300電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率；采用維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試其維氏硬度值；采用GX51金相顯微鏡觀察分析金相組織，其機(jī)械性能、硬度、晶粒度等如表2所示。由表可知，直管段和焊管的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、縱向沖擊吸收功、維氏硬度、組織均滿足GB/T 9711-2017對(duì)L245NS的要求[4-7]。

表1 式樣化學(xué)成分分析結(jié)果（wt.%）

表2 式樣機(jī)械性能、硬度、晶粒度

1.2 應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

試樣材料準(zhǔn)備：試驗(yàn)溶液用標(biāo)準(zhǔn)A溶液。試驗(yàn)用試樣由材質(zhì)為L(zhǎng)245NS的焊管段與直管段取樣制備而成，如圖1所示。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是一種恒位移試驗(yàn)，在兩個(gè)加載棍（軸承圓柱）上支撐彎梁試樣，另外兩個(gè)加載棍施加載荷以使試樣的一個(gè)面處于拉伸狀態(tài)（在內(nèi)加載棍之間均勻受力）；而另一個(gè)面處于壓縮狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照現(xiàn)場(chǎng)液相進(jìn)行調(diào)配，緩蝕劑使用現(xiàn)場(chǎng)用緩蝕劑；通入氣體：預(yù)制混合氣；加載應(yīng)力暫定85% SMYS（規(guī)定最小屈服強(qiáng)度）；試驗(yàn)時(shí)間：720h。取出樣品后進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 試樣加載荷示意圖

1.3 氫致開(kāi)裂試驗(yàn)分析

試驗(yàn)方法是將無(wú)應(yīng)力的試樣浸泡在溶液A，常溫常壓下，含飽和硫化氫（H2S）、氯化鈉（NaCl）和乙酸（冰醋酸，CH3COOH)的蒸餾水或去離子水溶液； 浸泡規(guī)定的時(shí)間后，取出試樣并進(jìn)行評(píng)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金相結(jié)果分析

在直管段和焊管上取樣進(jìn)行晶粒度和非金屬夾雜試驗(yàn)，金相圖如圖2所示，該鋼材組織為鐵素體+珠光體，其中直管段鐵素體呈帶狀沿著軋制方向被拉長(zhǎng)，而焊管段鐵素體則呈不規(guī)則的多邊狀，這倆種鋼材的組織分布都較為均勻，無(wú)明顯夾雜物。鐵素體是C及P的偏析區(qū)，在濕H2S環(huán)境下，這種偏析區(qū)會(huì)成為“H陷阱”，不斷捕獲H原子，板條狀鐵素體其內(nèi)部形貌為帶狀，極易成為氫致開(kāi)裂中的輸H通道，使得裂紋擴(kuò)展，而H原子遇到多邊形鐵素體則會(huì)沿著晶界彎曲，裂紋一般會(huì)中止于此[8]。帶狀組織的存在也使得位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)密度也隨之上升，這會(huì)導(dǎo)致H原子更容易聚集且傳輸路徑變多。而多邊形鐵素體會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)密度下降，焊管段之所以會(huì)出現(xiàn)多邊形鐵素體是由于焊接時(shí)的熱量使得鋼材組織發(fā)生了變化，起到了類似回復(fù)再結(jié)晶的作用。綜上，如想提高管線鋼在投用時(shí)的抗HIC能力，推薦采用正火等熱處理方式均勻化其內(nèi)部 組織。

圖2 金相圖

2.2 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

送檢試樣在模擬環(huán)境下（溫度：28℃，總壓6.5MPa，H2S 分壓為0.3MPa，N2充壓，溶液為標(biāo)準(zhǔn)A 溶液（0.5wt% CH3COOH+5wt% NaCl）），加載應(yīng)力為176.4MP（72%SMYYS）時(shí)，經(jīng)720h試驗(yàn)后，六個(gè)試樣（三個(gè)直管段，三個(gè)焊管段）均未發(fā)生斷裂；在10倍放大鏡下觀察，所有試樣表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)后試樣宏觀照片如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)后試樣宏觀照片

對(duì)從直管段應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后試樣切取的金相試樣進(jìn)行金相觀察。在金相顯微鏡放大200倍下觀察6個(gè)試樣均未發(fā)現(xiàn)外表面裂紋，微觀形貌如圖4所示。

圖4 截面微觀形貌照片（200倍）

具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可知，焊管試樣與直管式樣在實(shí)驗(yàn)后所有試樣表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，這是得益于該鋼材中無(wú)明顯夾雜物：雙相鋼一般抗應(yīng)力腐蝕能力較強(qiáng)，但若是有非金屬夾雜物隨著冶金過(guò)程混入鋼材，其會(huì)在結(jié)晶過(guò)程中迅速偏聚于晶界處，極大的提高鋼材的應(yīng)力腐蝕敏感性，如圖5所示，金相圖中并未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，這會(huì)提高鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力。

圖5 氫致開(kāi)裂試樣表面形貌

表3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.3 直管段和焊管氫致開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)

氫致開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)束后清洗試樣，在直管段3個(gè)試樣中，試樣1存在少量氫鼓泡，試樣2、試樣3試樣表面均存在較多氫鼓泡；L245NS焊管試樣氫鼓泡數(shù)量相對(duì)較少。其形貌如圖2-4所示。焊管段及直管段經(jīng)100倍金相分析，三個(gè)試樣的所有截面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，六個(gè)試樣的裂紋長(zhǎng)度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）及裂紋敏感率（CSR）均為0。這說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)所采用的L245鋼材由較好的抗HIC能力。

從2.1分析可知，帶狀鐵素體有利于H原子傳播，多邊形鐵素體則會(huì)阻礙H原子的擴(kuò)散，這使得直管段的氫鼓泡明顯多于焊管段。同時(shí)除了材料本身的微觀組織之外，其組成成分也會(huì)對(duì)氫致開(kāi)裂敏感性造成影響，鋼中的非金屬夾雜物由于其機(jī)械性能與鋼中其他成分不同，會(huì)引起較大的彈性畸變，這使得其周圍存在許多空隙，成為可以聚集H原子的H陷阱。粗大的板條狀組織及細(xì)長(zhǎng)的非金屬夾雜物會(huì)使得鋼材的氫致開(kāi)裂敏感性迅速上升。而本次實(shí)驗(yàn)所用樣品物無(wú)可見(jiàn)夾雜物，使得其抗HIC性能大幅上升，這使得樣品沒(méi)有出現(xiàn)氫致開(kāi)裂裂紋。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）該處理站所采用的L245NSPSL2鋼材夾雜物少，成分均勻，晶粒度不大，含碳量較少，極大的增強(qiáng)了其抗SCC及HIC能力；

（2）該L245NS鋼材在模擬環(huán)境下（溫度：28℃，總壓6.5MPa，H2S分壓為0.3MPa，N2充壓，溶液為標(biāo)準(zhǔn)A溶液（0.5wt% CH3COOH+5wt% NaCl）），加載應(yīng)力為176.4MPa（72%SMYYS）時(shí)，經(jīng)720h試驗(yàn)后，直管段與焊管段都未出現(xiàn)裂紋，表現(xiàn)出良好的抗SCC能力；

（3）經(jīng)氫致開(kāi)裂試驗(yàn)后，直管段和焊管經(jīng)100倍金相分析，三個(gè)試樣的所有截面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，三個(gè)試樣的裂紋長(zhǎng)度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）及裂紋敏感率（CSR）均為0，表現(xiàn)出良好的抗HIC能力。焊管段氫鼓泡少于直管段，說(shuō)明微觀組織形貌會(huì)極大的影響抗HIC能力；

（4）該地區(qū)所采用的L245NS材質(zhì)管線鋼在高濃度H2S環(huán)境下沒(méi)有出現(xiàn)SCC及HIC現(xiàn)象，仍可保證其后續(xù)使用。