氢对低合金碳钢管力学性能的影响

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摘 要：本文分析了氢对低碳低合金钢管力学性能的影响，结果表明：渗氢后钢管的屈服强度升高，屈强比增加，断面收缩率及冲击性能降低；渗氢后拉伸断口呈鱼眼特征，鱼眼中心有铝酸钙、硫化钙、镁铝尖晶石及碳化铌等夹杂物；腐蚀A法单轴拉伸试验，开裂源位于试样表面的早期失效可能与近表面夹杂物有关。

关键词：氢损伤；低碳钢；断口；鱼眼；夹杂物

The Effect of Hydrogen on Low Alloy Steel Pipe Mechanical Properties

Xiaolin Liu, (Konzen Environment (Tianjin) Co., Ltd, Research and Development Department, 300190)

Zhiyuan Zhang, (Tianjin Pipe (Group) Corporation technology center, Tianjin 300301)

Abstract: In this paper, the effect of hydrogen on steel pipe mechanical property had been done, the results reveal that after hydrogen permeating treatment, the yield strength and yield ratio were increased, reduction of cross-sectional area and impact were decreased. There are some fish-eyes on tensile fracture after hydrogen permeating treatment, on the center of fish-eye there are some inclusions including calcium aluminate, calcium sulfide, magnesium aluminum spinel and niobium carbide. Method A test which crack source on the sample surface was failure. The reason of that is related to some inclusions nearby surface.

Key words: hydrogen damage; low carbon steel; fracture; fish-eye; inclusion

中图分类号： TU511.3+7 文献标识码： A

1前言

碳钢和合金钢在受到应力及腐蚀环境共同作用时发生的断裂是最危险的破坏形式之一，可称之为在含有硫化氢环境下的应力腐蚀断裂，通常发生在油气田、炼油行业及其废气、废水处理行业。硫化氢加速钢的均匀腐蚀和点蚀，最终导致氢致开裂和应力腐蚀断裂[1-4]，特别是湿的H2S对钢材具有很强的腐蚀性。因此, 对H2S应力腐蚀进行试验研究，以便对管道进行选材和采取必要的防护措施[5]。本系列试验在不施加应力情况下对钢材进行渗氢处理，而后进行力学性能试验，部分试验结果可推演到硫化氢应力腐蚀开裂机理，根据试验研究结果改进、优化生产工艺流程，具有重要的现实意义。

本文对中低碳钢管经过渗氢处理不同时间后屈服强度、抗拉强度、冲击韧性及断面收缩率等力学性能的变化、氢脆断口分析等进行了分析。

2试验材料和方法

试验材料为抗硫化氢腐蚀低碳低合金钢管，管材规格为φ177.8×12.65mm。渗氢试验环境为：NACE TM0177-2005标准A溶液（5％NaCl＋0.5％CH3COOH＋蒸馏水），溶液用高纯氮气充分除氧后通入硫化氢气体至饱和，试验过程持续通入硫化氢气体，维持溶液中硫化氢气体饱和状态。分别取八组圆形拉伸、冲击（横冲、纵冲）试样，圆拉试样采用大试样，其中横向冲击试样尺寸为10×5mm，纵向冲击试样为10×10mm。在饱和硫化氢Ａ溶液中浸泡不同时间，而后分别进行力学性能试验，并与未经过浸泡的原始态钢管性能进行比较。

用德国SCHENCK力学拉伸试验机进行力学性能试验；德国ZEISS公司扫描电子显微镜（SEM）和美国EDAX公司 能谱仪对拉伸及冲击断口进行分析。

3试验结果及讨论

3.1 渗氢对力学性能的影响

图1为氢对抗硫化氢腐蚀钢管力学性能的影响试验结果，横坐标均为渗氢时间（天）。与原始状态相比较，经过饱和硫化氢Ａ溶液渗氢处理后，钢管的屈服强度从原始864MPa增加到890MPa左右，而抗拉强

图1 氢对钢管力学性能的影响 (a) 抗拉、屈服强度(b) 横向、纵向冲击 (c) 断面收缩率

Fig. 1 Effect of hydrogen on steel pipe mechanical property(a) Tensile and yield strength

(b) Transverse and longitudinal impact (c) Reduction of cross-section area

表1 渗氢时间对屈强比的影响

Tab 1 Yield ratio showing the effect of hydrogen permeation time

浸泡时间（天） 0 1 2 3 5 9 14 20 30

屈强比 0.932 0.957 0.944 0.957 0.945 0.957 0.968 0.952 0.960

度未见明显变化，见图1（a）。渗氢后屈强比从原始0.932增加到0.955，试验结果见表1。图1（b）为横、纵向冲击功随渗氢时间的变换，纵向全尺寸10×10mm试样冲击功从原始状态的170J减少到约150J ，横向10×5mm试样冲击功从52Ｊ减少到约43Ｊ。氢对钢管断面收缩率的影响见图1（c），渗氢处理后管材断面收缩率明显降低，从原始状态69％下降到55％左右。力学性能对比结果可见，渗氢后钢管的屈服强度、屈强比增加，冲击功、断面收缩率减小，材料韧性变差。

3.2 渗氢后拉伸断口特征

钢铁材料在外力作用下因强烈滑移位错堆积，在变形大的区域产生许多纤维空洞；或因夹杂物破碎，夹杂物和基体金属界面的破碎而形成许多微小孔洞。孔洞在外力作用下不断长大、聚集形成裂纹直至最终分离，这种断裂方式称为微孔聚集型断裂，其断口称韧窝断口。韧窝断口的宏观形貌特征是具有纤维状

图2原始拉伸断口(a) 宏观形貌 (b) 纤维区 (c) 剪切唇

Fig. 2 The original tensile fracture (a) Macroscopic (b) Fibrous zone (c) Shear lip

和剪切唇等标记[6]。原始未经渗氢处理光滑圆试样的拉伸断口中，纤维区位于断口的中央，粗糙不平，见图2（a）。夹杂物与基体形成的纤维区是由无数纤维状“小峰”组成，“小峰”的小斜面和拉伸轴线大约成45°角，拉伸断口上夹杂物形成的孔洞及韧窝见图2（b）。剪切唇部位因受到非复合应力作用，夹杂物处形成孔洞及拉长韧窝，见图2（c）。

NACE TM0177标准A溶液通入硫化氢气体至饱和，并持续通入硫化氢气体以维持饱和状态，试样渗氢一天后拉伸断口形貌见图3。拉伸断口芯部由韧窝及鱼眼氢脆准解理组成，断口边缘为剪切唇，低倍照片见图3（a）。鱼眼中均发现有块状夹杂物，能谱分析表明夹杂物包括铝酸钙、硫化钙、镁铝尖晶石和碳

图3渗氢一天后拉伸断口(a) 低倍形貌 (b) 鱼眼及夹杂 (d) 剪切唇

Fig. 3 Tensile fracture after hydrogen permeation one day (a) Macroscopic (b) fish eyes and inclusions (d) Shear lip

氮化铌等，鱼眼状断口及其中夹杂物放大形貌见图3（b）。剪切唇区也可见鱼眼特征，且每个鱼眼芯部均有块状夹杂物，图3（c）鱼眼特征断口为（a）剪切唇区矩形方框内局部放大形貌。

钢管管体纵向取样，靠近内壁一侧金相组织可观察到带状成分偏析。管体横向冲击试验后得到纵向断口，带状偏析区因塑性变形能力与其他基体部位不同，在冲击断口上断口形态不同。渗氢三天后，在纵向断口低倍形貌上可见两条较明显深色带状成分偏析区，与基体部位断口相比较，带状偏析区塑性较差。对断口局部放大形貌观察，可见偏析区内有较多的块状夹杂物，能谱分析表明多为碳氮化物。带状偏析区成因主要是钢在凝固过程中的成分偏析，与炼钢过程中其它氧化物、硫化物各类夹杂物成因不同，所以偏析带中未发现有铝酸钙、硫化钙、镁铝尖晶石等夹杂物。

渗氢后对钢管纵向冲击断口形貌分析，纵向冲击试样对应钢管横向断口，可见因带状偏析而形成的纹理，偏析区有碳氮化物等夹杂物偏聚。随着渗氢时间的增加，冲击断口韧性特征降低，氢脆解理特征逐渐增多，纵向冲击数值逐渐减小，数值分别为149J，142J，136J，钢管韧性降低。

经渗氢处理后，有些试样低倍形貌拉伸断口表面呈现鱼眼特征，从试样表面鱼眼特征局部放大形貌可见鱼眼芯部有团块状夹杂物。NACE TM0177标准A法单轴拉伸试验失效分析，时常可见断口裂纹源位于表面，但因试验过程中腐蚀气氛对断口侵蚀严重，故通常情况下在表面裂纹源只观察到腐蚀坑。渗氢系列试验是在不加载应力情况下在腐蚀环境中渗氢处理，而后拉伸断裂；A法单轴拉伸试验条件为腐蚀环境＋恒定载荷。两者采用的腐蚀环境相同。根据氢损伤拉伸断口及应力腐蚀A法失效试样断口形貌对比可以推断，硫化氢A法单轴拉伸试验失效断口成因很可能是试样近表面夹杂物。

研究结果表明，为使钢抗硫化氢应力腐蚀开裂性能达到标准要求，需准确控制合金元素比率，严格控制S、P、Sb、As、Sn等元素含量；控制非金属夹杂物的数量、形态和偏聚，轧制形变硬化程度；严格控制热处理工艺，以达到性能均匀和显微组织均匀等[7]。同时应改进优化炼钢生产工艺，严格控制各类夹杂物数量；连铸采取有效措施尽量减小连铸坯成分偏析；针对不同钢种探索双调质、二次回火等热处理工艺。

4结论

(1) 渗氢后钢管的屈服强度升高，屈强比增加，断面收缩及冲击性能降低，材料脆性增大；

(2) 渗氢后拉伸断口呈鱼眼特征，鱼眼中心有铝酸钙、硫化钙、镁铝尖晶石及碳氮化铌等夹杂物；

(3) 对于开裂源位于试样表面的应力腐蚀A法单轴拉伸试样早期失效可能与近表面夹杂物有关。

参考文献

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