管线钢抗HIC性能不合格原因分析

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梅山科技 2009 年第 1 期
按 NACE TM 0284 标准要求 ,在 A 溶液中 效机理的 3 个方面进行失效原因的分析 ,结合生
通入硫化氢饱和气体 。初始 P H 值 :2. 7～3. 3 ;结 产工艺的调查 ,从而探讨影响管线钢抗 H IC 性能
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降 3. 42 %左右 。 2. 2. 3 适用特点比较 脉冲燃烧方式适合于产量波动幅度较大 ,钢 种 、规格变换比较频繁 ,跟踪精度要求较高的生产 条件 ,分公司 2 050 mm 热轧产品的规格品种变 化较多 ,适用于该种燃烧方式 。但是从梅钢情况 来看 ,2009206 之后 ,公司 350 万 t 扩建改造全部 完成 ,1 422 mm 热轧将进入满负荷生产状态 ,产 量在正常情况下不会大幅度波动 ,同时 ,该产线的 品种 、规格变化也相对较少 ,其工况条件并不是非 常适合脉冲燃烧方式 。 2. 2. 4 建设成本及风险比较 脉冲式加热炉三电系统的改造量要比空气煤 气双预热式多 50 %以上 ,对烧嘴前 ON2O FF 脉冲 调节阀的稳定性和可靠性要求也比较高 ,管道布 置复杂 ,改造和维护费用都比采用空气煤气双预 热方案要高 。 如果采用空气煤气双预热式燃烧系统 ,其炉 型结构与 2 号加热炉相似 ,工艺方案成熟可靠 ,设 计 、施工 、调试有成功经验可以借鉴 ,生产操作 、工 艺设备等尽可能保持炉区的一致性 ,便于操作和 维护 。
按照 NACE TM 0177 标准的要求 ,在 A 溶
液中对试样施加 72 %SM YS 的应力 ,720 h 后检
查试样厚度方向的裂纹情况 ,根据裂纹的长度评
定其抗硫化氢应力腐蚀性能 。 2. 3 试验结果
图 2 氢致裂纹
首次试制的 Grade B 经硫化氢腐蚀试验后 , 表面出现大量鼓泡 (见图 1) ,对其截面进行显微 观察 ,其截面出现了大量的肉眼都可见的裂纹 (见 图 2) 。试验结果表明试制的 Grade B 的抗 H IC 性能不合格 。为此对不合格的原因进行了调查和 分析 。
到目前为止 ,脉冲燃烧方式在国内大型板坯 加热炉上还没有成功的应用经验可以借鉴 ,其实 际应用效果如何需要等待实践的检验 。因此 ,其 实际应用中仍存在一定的风险 。 综合以上分析 ,脉冲式加热炉设计能耗虽然 比双预热式略低 ,但是梅钢热轧的工况条件并不 适合采用 ,加之建设成本也较高 ,同时在国内还没 有成功应用的经验 ,选用脉冲式在技术和应用上 存在较大的风险 。
(编辑 :李 霞)
(上接第 43 页) 综合以上分析 ,得出结论 :首次试制时铸坯的 中心疏松可能是导致其抗 H IC 性能严重不合格 的主要原因 。为此在后续生产时改进了连铸工 艺 ,采用轻压下技术 ,稳定拉速保证铸坯的质量 , 减少疏松 。经过工艺调整后 ,该钢种的抗 H IC 性 能大幅提高 ,多数炉次未出现微裂纹 ,全部合格 。
朱红丹 殷 胜 管线钢抗 H IC 性能不合格原因分析
Mn 、P 元素的低温转换组织时 ,钢的 H IC 敏感性 增加 。 对不合格板卷进行金相组织分析 ,其组织属 于铁素体 + 珠光体 (见图 3) ,未发现珠光体带状 组织 。
在。
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图 3 金相组织
对 H IC 试验后的试样的裂纹进行电镜和能 谱分析 ,以确认是否存在 MnS 夹杂物 。裂纹形貌 见图 4 ,裂纹中心位置的能谱分析见图 5 。
表 1 钢卷主要化学成分
wt , %
材料号
C
Si
Mn
P
S
Mo
Nb
Ca
A
< 0. 08 0. 174
0. 657 < 0. 008 < 0. 002 0. 002
0. 012 0. 003 1
板卷的成分设计完全符合控制要求 ,特别是 P 、S 的控制很好 ,满足抗 H IC 管线钢的要求 。 3. 2 夹杂物 一般认为钢中 MnS 夹杂物是导致 H IC 性能 不合格的主要因素 ,因此对不合格板卷取金相组 织分析样 ,进行夹杂物分析 。检验结果为少量硫
2009 年第 1 期 梅山科技
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管线钢抗 H IC 性能不合格原因分析
朱红丹1 殷 胜2 (11 梅山钢铁公司制造管理部 21 梅山钢铁公司技术中心 南京 210039)
摘 要 :抗硫化氢腐蚀管线钢是管线钢中性能要求等级最高的钢种 ,是宝钢的 o nly o ne 产品 。通过对 Grade B 试制时抗 H IC 性能不合格的原因分析 ,探讨了管线钢抗 H IC 性能的 关键影响因素 ,并提出了提高管线钢抗 H IC 性能的控制措施 。 关键词 : H IC ;管线钢 ;影响因素
1 硫化氢腐蚀的机理 硫化氢腐蚀是指钢材在含水硫化氢中发生的 电化学腐蚀 。主要的腐蚀形式为 :全面腐蚀和硫 化物应力腐蚀开裂 。对于低合金高强度钢而言 , 一般有以下 4 种形式 : 1. 1 氢鼓泡 ( HB) 钢材表面的水分子中产生大量的氢原子 ,氢
原子向钢材内部渗入 ,在缺陷部位 (如夹杂 、位错 、 蚀坑等) 聚集 ,结合成氢分子 。由于分子所占的空 间是原子的 20 倍 ,巨大的体积膨胀使钢材内部产 生很大的内应力 ,当应力达到一定的程度时就引 起了界面开裂 ,形成氢鼓泡 。其分布平行于钢板 表面 。 1. 2 氢致开裂 ( H IC) 当氢原子在钢材的内部缺陷处聚集形成小的 鼓泡裂纹后 ,随着内部氢分子的压力增高 ,小裂纹 趋向于相互连接形成有阶梯状特征的氢致开裂 。 氢致开裂裂纹分布平行于轧制方向 。 1. 3 硫化物应力腐蚀开裂 ( SSCC) 氢原子渗入钢材内部溶解于晶格中产生脆 性 ,在外加应力的作用下形成开裂 。 1. 4 应力导向氢致开裂 ( SO H IC) 在应力引导下 ,在夹杂物与缺陷处聚集的氢 分子形成的小裂纹 ,沿着垂直于应力的方向发展 。 一般而言 ,热轧态的管线钢是制管的母材 ,需 要进行 HB 、H IC 和 SSCC 3 项检验 。
硫结合 形 成 MnS 夹 杂 物 , MnS 的 存 在 增 加 了
H IC 敏感性 ,但是只有锰和硫质量分数之积达到
一定值时才容易产生 MnS。同时 [ Mn ]的增加会
图 1 表面鼓泡
引起带状组织的生成 ,从而增加 H IC 敏感性 ,一
般 Mn 的质量分数控制在 0. 8 %～1. 6 %。硫能
2 试验方法及结果 用梅钢自产抗硫化氢管线钢 Grade B ,按照 标准进行了抗 H IC 试验和 SSCC 试验 。 2. 1 H IC 试验
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束 P H 值 :3. 5～4. 0 。检测周期 :96 h 。试样取出 的关键因素 。
后检查表面鼓泡情况 ,之后截取垂直于轧向的截
面 ,用金相显微镜观察截面是否有微裂纹 。并计
算 3 个参量 :裂纹长度率 CL R 、裂纹宽度率 C TR
和开裂敏感率 CSR ,用于评定材料的抗硫化氢腐
蚀能力 。
2. 2 SSCC 试验
3. 4 结合工艺分析 Grade B 首次试制 时连 铸未 采用 轻压 下工 艺 ,且拉速较慢 。铸坯质量较差 ,中心疏松的情况 较严重 。
(下转第 46 页)
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方面 :钢水的纯净度 、铸坯的偏析控制和控轧控冷 而形成氢的聚集源 ,增加了 H IC 敏感性 ,一般要
的水平 。从抗 H IC 失效机理来说主要有 :化学成 求[ P ]在 0. 005 %～0. 010 %。
分 、夹杂物和显微组织 3 个方面 。本文着重从失 对不合格板卷做化学成分分析 ,结果见表 1 。
3 分析与讨论
促进 H IC 发生 , 其 与 锰 形 成 的 MnS 夹 杂 物 是
各种研究[122] 表明影响钢材抗硫化氢腐蚀的 H IC 最 容 易 形 核 的 位 置 , 其 含 量 必 须 控 制 在
因素很多 。从生产工艺方面来说主要有以下几个 0. 002 %以下 。磷元素在钢材凝固时产生偏析 ,从
Disqualif ication AnalБайду номын сангаасsis of HIC Resistance Perf ormance of Pipeline Steel
Z hu H on g d an1 Yi n S hen g2 (11 Manufact uring Management Depart ment of Meishan Iro n & Steel Co . ,
3 结 论 通过对蓄热式 、空气煤气双预热式和脉冲式 3 种不同型式加热炉能耗 、建设成本 、运行维护及 应用风险的分析比较 ,认为梅钢 1 422 mm 热轧 1 号加热炉大修改造选用空气煤气双预热式燃烧方 案是一种最优化的选择 。
致 谢 :本文所用部分数据得到了热轧板厂 同仁的支持和帮助 ,在此深表感谢 !
21 Technology Center of Meishan Iro n & Steel Co . ,Nanjing 210039) Key words :H IC ;pipeline steel ;influencing factor
抗 H IC 管线钢是石油天然气用钢中性能要 求等级最高 、生产难度最大的钢种 ,由于其对钢水 的纯净度 、铸坯的偏析控制及控轧控冷的要求极 高 ,国内能够生产这种钢的厂家很少 ,该产品目前 是宝钢的 Only o ne 产品 。梅钢目前开发生产了 2 种牌号 ,分别为 X52 和 Grade B 。X52 是 2007 年 开发生产的 ,其抗 H IC 性能较好 ,出现裂纹的数 量较少 ,且多数都是小裂纹 ,符合客户的要求 。而 2008 年 Grade B 的生产出现了很大的波动 ,首次 生产的产品抗 H IC 性能很差 ,全部不合格 ,且氢 致裂纹呈现典型的阶梯状形貌 。 本文通过针对 Grade B 管线钢的成分控制 、 冶炼工 艺 、轧 制 工 艺 、显 微 组 织 等 方 面 进 行 抗 H IC 性能不合格的原因调查 ,分析了影响管线钢 抗 H IC 性能的主要因素 ,为提高抗 H IC 管线钢 生产稳定性提供理论依据 。
3. 1 化学成分 有研究[3] 表明钢中 C 、Mn 、P 、S 的含量对抗 H IC 性能有显著的影响 。碳是钢中最常用的强 化元素 ,随着[ C ]的增加 ,其 H IC 敏感性增加 ,但 是日本及前苏联研究认为[ C ]在 0. 01 %～0. 05 % 其 H IC 敏感性最小 。锰在钢中既能固溶又能与
化物夹杂物 B1. 0 级 ,与抗 H IC 性能较好的 X 52 (B1. 5 级) 相比 ,这种夹杂物级别属于正常较好的 情况 ,不会导致抗 H IC 性能严重不合格 。 3. 3 金相组织 大量研究表明对中低强度的管线钢而言 ,当 组织中出现带状珠光体组织和分布于板厚中心的
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图 4 裂纹形貌
裂纹中心处能谱结果显示存在 C、O 、S、Si 、 Mn 元素 。结合成分分析的结果 ,排除 MnS 夹杂 物异常的可能 。由于裂纹在钢中主要沿着珠光体 扩散 ,裂纹处 C 元素的含量说明该处可能是珠光 体组织 。剩下只有 O 元素的出现显得异常 。O 元素在钢中一般的存在形式是氧化铝夹杂物 ,但 是能谱分析未显示铝元素 ,排除了氧化铝夹杂物 的可能 。O 元素的出现还有可能是铸坯中疏松处 在加热时氧化后带入 。为排除电镜试样制样时带 入 O 元素 ,在裂纹周围也进行了能谱分析 (见图 6 、7) ,结果表明在裂纹周围并没有 O 元素的存