345 MPa級(jí)容器用鋼抗氫致開裂性能的研究

樊艷秋 馬長文 李少坡 丁文華 李戰(zhàn)軍 楊飛飛

(1.首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院，北京 100043； 2.北京市能源用鋼工程技術(shù)研究中心，北京 100043)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)石油、天然氣等能源的需求量增加，從而對(duì)運(yùn)輸、儲(chǔ)存石油、天然氣用鋼板的需求量增加。H2S是石油和天然氣中腐蝕性最強(qiáng)的雜質(zhì)，易導(dǎo)致運(yùn)輸和儲(chǔ)存石油、天然氣的設(shè)備氫致開裂[1]。氫致開裂是濕硫化氫環(huán)境中腐蝕產(chǎn)生的氫原子滲入鋼中并在夾雜物等氫陷阱聚集，形成氫分子產(chǎn)生氫壓，當(dāng)壓力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)開裂的現(xiàn)象[2- 7]。本文研究了經(jīng)不同工藝熱處理的345 MPa級(jí)容器用鋼的顯微組織、硬度及影響其抗氫致開裂性能的因素。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼采用50 kg真空感應(yīng)爐冶煉，化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

1.2 軋制及熱處理工藝

將鋼錠加熱至1 000 ℃鍛造成130 mm的坯料，于1 200 ℃保溫2 h后經(jīng)7道次熱軋至20 mm厚試板，空冷至室溫，再加熱至930 ℃保溫60 min水淬，然后分別于550、600、650 ℃回火60 min，空冷。按回火溫度從低到高依次將鋼板編為1、2和3號(hào)。

1.3 試驗(yàn)方法

制備金相試樣，用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用LSM 700型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)。采用DHV- 1000Z型顯微維氏硬度計(jì)測定硬度，試驗(yàn)力為0.1 N。采用EPMA- 1720型電子探針分析儀進(jìn)行元素掃描分析。試樣尺寸為10 mm(軋向)×10 mm(法向)×3 mm(厚度方向)，觀察面為10 mm×10 mm面，用丙酮除油，將觀察面用12 μm細(xì)砂紙打磨后，在體積分?jǐn)?shù)為5%的高氯酸酒精溶液中電解拋光25 s，拋光電流密度為0.3 A/cm2，然后采用背散射衍射技術(shù)(electron back scattered diffraction, EBSD)在FEL quanta 650型場發(fā)射掃描電子顯微鏡下以0.2 μm步長逐點(diǎn)掃描。

抗氫致開裂性能試驗(yàn)按NACE TM0284—2016進(jìn)行：將試樣置于密閉容器中，保持常溫(25±3)℃、常壓，通入氮?dú)鈱⑷萜髦锌諝馀艃艉笸ㄈ際2S氣體，達(dá)到飽和后計(jì)時(shí)，96 h后取出試樣,檢測表面氫鼓泡狀況，然后按標(biāo)準(zhǔn)切割試樣，計(jì)算裂紋長度率、裂紋厚度率和裂紋敏感率：

(1)

(2)

(3)

式中：a為裂紋長度，mm；b為裂紋厚度，mm；W為試樣寬度，mm；T為試樣厚度，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織和硬度

圖1為經(jīng)不同工藝調(diào)質(zhì)處理的試驗(yàn)鋼的顯微組織。如圖1(a)所示，550 ℃回火的鋼組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，通過悟空?qǐng)D像軟件測定的多邊形鐵素體體積分?jǐn)?shù)為8%；600 ℃回火的鋼組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，多邊形鐵素體體積分?jǐn)?shù)增加至11.5%，如圖1(b)所示；650 ℃回火的鋼組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體，多邊形鐵素體體積分?jǐn)?shù)達(dá)21%?？傮w上，淬火后不同溫度高溫回火的試驗(yàn)鋼的顯微組織均為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，但隨著回火溫度的升高，多邊形鐵素體含量增加，組織向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變[8- 9]。

圖1 930 ℃淬火及550(a)、600(b)和650 ℃(c)回火60 min的試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the tested steel quenched and then tempered at 550(a), 600(b) and 650 ℃(c) for 60 min

表2為試驗(yàn)鋼的顯微硬度。1、2、3號(hào)試板的顯微硬度均值分別為261、242、206 HV0.01，說明隨著回火溫度的升高，組織在向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變，發(fā)生了一定程度的軟化。1號(hào)試板硬度的最高值與最小值的差值達(dá)70 HV0.01，2號(hào)試板為50 HV0.01，3號(hào)試板最小，為9 HV0.01，說明隨著回火溫度的升高，鋼的組織均勻性改善。

表2 試驗(yàn)鋼的顯微硬度Table 2 Microhardness of the tested steels HV0.01

2.2 抗氫致開裂性能

評(píng)定鋼的抗氫致開裂性能的指標(biāo)如表3所示。1和2號(hào)試板均有裂紋，且1號(hào)試板的裂紋長度率、裂紋厚度率和裂紋敏感率均大于2號(hào)試板，3號(hào)試板無裂紋，說明1號(hào)試板的抗氫致開裂性能最差，3號(hào)試板的抗氫致開裂性能最佳。

表3 試驗(yàn)鋼的抗氫致開裂性能Table 3 Hydrogen- induced cracking resistance of the tested steel

2.3 氫致裂紋形貌

圖2為1號(hào)試板中氫致裂紋的微觀形貌及裂紋附近的顯微組織。圖2中不同部位的能譜分析結(jié)果如表4所示。圖2和表4表明，裂紋處有MnS夾雜物。此外，2號(hào)試板的氫致裂紋附近也有MnS，如圖3所示。圖4為試驗(yàn)鋼的電子探針分析結(jié)果，顯示鋼坯中存在C、Mn偏析，易產(chǎn)生MnS夾雜物，從而引起氫致開裂。

圖2 1號(hào)試板中的氫致裂紋及其附近的顯微組織Fig.2 Hydrogen- induced crack and microstructure nearby it in the plate specimen No.1

表4 圖2中不同部位的能譜分析結(jié)果Table 4 Energy dispersive spectrum analysis of different positions in Fig.2

圖3 2號(hào)試板氫致裂紋的元素分布Fig.3 Element distributions of hydrogen- induced crack in the plate specimen No.2

2.4 電子背散射衍射分析

圖5為采用電子背散射衍射技術(shù)測定的1、2和3號(hào)試板的晶粒取向和大角度晶界分布。晶粒取向圖中不同灰度代表不同的晶粒取向，顏色相差越大，晶粒間取向差越大。圖5表明：1號(hào)試板含有較多的多邊形鐵素體，組織不夠均勻；2號(hào)試板的多邊形鐵素體增多，組織較均勻；3號(hào)試板的多邊形鐵素體最多，晶粒尺寸均勻性最好。圖5大角度晶界分布圖中的黑色線條代表角度大于15°的晶界。1、2和3號(hào)試板的大角度晶界比例分別為34.98%、44.76%和46.2%。

圖4 試驗(yàn)鋼的電子探針分析結(jié)果Fig.4 Electron probe micro- analysis of the tested steel

圖5 試驗(yàn)鋼中晶粒取向(a、c、e)和大角度晶界分布(b、d、f)Fig.5 Grain orientation (a，c,e) and large angle grain boundary (b,d,f) distributions in the tested steel

可以認(rèn)為，導(dǎo)致1、2號(hào)試板產(chǎn)生氫致裂紋的原因主要有以下幾方面：首先，回火溫度較低時(shí)，組織向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變不夠充分，組織軟化不很明顯，且回火溫度較低的試板最高與最低硬度的差值較大，增大了氫致裂紋開裂的敏感性；其次，鑄坯中有C、Mn偏析，有利于MnS夾雜物的形成，增大了夾雜物附近基體組織開裂的敏感性；第三，回火溫度較低的試板大角度晶界比例較小，由公式E=E0θ(A- lnθ) (式中：E0和A為常數(shù);E為晶界能;θ為晶界取向角度[6])可知，晶界取向角度越大，裂紋擴(kuò)展需要更多的能量，因此大角度晶界能有效抑制裂紋擴(kuò)展。 650 ℃回火的試板大角度晶界比例明顯升高，從而能有效抑制裂紋擴(kuò)展。

3 結(jié)論

(1)淬火后不同溫度高溫回火的345 MPa級(jí)容器用鋼顯微組織均為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體。隨著回火溫度的升高，多邊形鐵素體含量增加，組織向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變；鋼的硬度最大值與最小值的差值減小，即組織的均勻性提高。

(2)650 ℃回火的345 MPa級(jí)容器用鋼的抗氫致開裂性能最佳，裂紋長度率、裂紋厚度率、裂紋敏感率均為0。

(3)MnS夾雜物增大了345 MPa級(jí)容器用鋼的氫致裂紋開裂敏感性。

(4)650 ℃回火的345 MPa級(jí)容器用鋼的大角度晶界比例明顯增大，能有效抑制裂紋的擴(kuò)展。