C110级油套管钢的显微组...特征对硫化物应力开裂的影响_沈函.pdf

第 卷 第 期上 海 金 属，年 月，作者简介：沈函，男，硕士，主要从事高强度油套管钢抗硫化物应力开裂腐蚀机理的研究，：级油套管钢的显微组织和晶体学特征对硫化物应力开裂的影响沈 函 周高阳 王新田 操光辉 罗 明 张忠铧（上海大学 材料科学与工程学院，上海；宝山钢铁股份有限公司研究院，上海）【摘要】通过单轴拉伸试验即 法评估了 级油套管钢的抗硫化物应力开裂（，）性能，对拉伸试验断裂和未断裂的试样进行了金相检验，以揭示显微组织、夹杂物、晶界和位错对 级油套管钢抗 性能的影响。结果表明：断裂试样中的裂纹从夹杂物处萌生和扩展，裂纹附近区域几乎都是变形晶粒，晶粒中心平均取向差较大，从而增大了钢的 倾向。未断裂试样中以再结晶晶粒和亚结构晶粒为主，且高角度晶界较多，能有效阻止裂纹的萌生。【关键词】油套管钢，微观结构，电子背散射衍射，硫化物应力开裂中图分类号：；文章编号：（）（，；，）【】（），（），；（），【】，（）在高温、高压和有腐蚀性介质的油气田服役的油套管易发生电化学腐蚀和氢损伤而失效，导致油井过早报废。腐蚀反应析出的氢原子会扩散到暴露在湿硫化氢（）环境的钢中，如果钢中冶金缺陷处的氢浓度达到萌生裂纹的临界值，在外力的作用下便发生硫化物应力开裂。钢材的抗硫化物应力开裂（，）性能随着强度的提高而降低，尤其是强度较高的 级油套管钢对 极为敏感。因此应研发兼具高强度和优异抗 性能的油套管钢。钢材的抗 性能与其微观组织密切相关。研究表明，钢的回火索氏体具有较好的抗 第 期沈 函等：级油套管钢的显微组织和晶体学特征对硫化物应力开裂的影响 性能。一般认为，非金属夹杂物易导致钢材发生，并受夹杂物的类型、尺寸和形态的影响。均匀分布的小尺寸（）析出物能减少氢在钢中的扩散，降低夹杂物、孔洞等缺陷部位的氢浓度，从而减小发生 的可能性。采用电子背散 射 衍 射（，）技术获得的晶体学特征可用于分析材料的 行为。晶粒中心平均取向差（，）表示晶粒内一个点与周围一定范围内点的平均取向差，能反映材料的局部塑性应变和位错密度。通常，晶界可分为低角度晶界（，）和高角度晶界（，），裂纹更易沿 扩展。按 美 国 石 油 协 会（，）的标准 套管和油管规范（），级油套管钢是目前级别较高的油套管钢。该标准要求在充有饱和 气体的酸性溶液中进行恒载荷单轴拉伸试验（法），如果施加 屈服强度的载荷持续 不断裂或未出现应力腐蚀裂纹，则判定通过抗 试验。目前国产油套管强度和韧性尚能满足 要求，但 法试验通过率普遍不高，因此有必要研究油套管钢未能通过抗 试验的原因。本文系统研究了微观组织、夹杂物、位错和晶界等因素影响 级油套管钢抗 性能的机制，可为提高油套管抗 试验的通过率提供指导。试验材料和方法研究用 级油套管用 钢的化学成分如表 所示。将铸坯轧制成外径为 、壁厚为 的钢管后，从 以 的速率冷却至 ，空冷至室温。随后进行调质处理：保温 水冷，保温 空冷。表 研究用 钢的化学成分（质量分数）（）元素 质量分数 根据 ，采用带有引伸计的 万能电子拉伸试验机进行室温拉伸试验，拉伸速率为 。沿平行于油套管轧制方向用线切割加工标准拉伸试样。采用 型全自动洛氏硬度计测定硬度。通过 规定的恒载荷单轴拉 伸 试 验 评 估 钢 的 抗 性 能。图 为 法试验装置的示意图。将试样浸泡在成分（质量分数，下同）为氯化钠（）和 冰醋酸（）的去离子水脱氧溶液中（溶液），施加 屈服强度的拉伸载荷，溶液的初始和结束 值分别为 和 ，温度为（）。试验过程中保持外容器和试验单元之间的溶液循环，向外容器中通入 流量的 气体并使试验溶液达到饱和。每次测试 个拉伸试样，如果试样持续 没有断裂或开裂，则评为通过试验。试验结果显示，有较多炉次 级油套管钢 的法试验未通过。从断裂和未断裂图 法试验装置的示意图 试样中各选取一件进行对比研究，编号分别为 和，其力学性能和 法试验结果如表 所示。试样 的屈服强度为 ，抗拉强度为 ，断后伸长率为，硬度为 ；试样 的屈服强度为 ，抗拉强度为，断后伸长率为，硬度为 。两者均满足 对 级油套管钢的力学性能要求。上 海 金 属第 卷表 研究用 钢的力学性能和 法试验结果 试样编号屈服强度抗拉强度硬度断后伸长率试验未通过通过 为研究在 法试验中试样拉伸断裂的原因，采用 型扫描电子显微镜（，）检测了微观组织，并采用能量色散 射线光谱仪（，）测定夹杂物的化学成分。采用 型场发射 进行 分析，加速电压为 ，步长为 ，研究两个试样的晶体学特征，原始数据采用附带的（）分析软件处理。试验结果 微观组织图 为试样 和 的显微组织。由图 可知，法试验中断裂和未断裂试样的微观组织均由铁素体和球状渗碳体组成。回火时球状渗碳体从马氏体中析出，尺寸为几十到几百纳米，晶界的渗碳体尺寸比晶内的稍大。这是因为碳原子易在晶界扩散，渗碳体易在晶界形核和长大。图 试样（，）和（，）的低（，）和高（，）倍视图 （，）（，）（，）（，）夹杂物图 为试样 断口截面的微观形貌，有大量孔洞和夹杂物。夹杂物易与基体分离，并在变形过程中产生大面积的微小空隙，氢原子易在这些部位聚集，达到一定浓度时便形成氢分子产生氢压，促进裂纹萌生。为了进一步研究试样 断裂的原因，采用 检测了夹杂物的元素面分布。如图（）所示，夹杂物的主要成分为 和，可能是，圆形，尺寸约为 ，与基体结合较弱，有明显的空隙，氢原子易在此处聚集，从而增加 的可能性。如图（）所示，夹杂物的主要成分为、和，是 与 的混合物，椭圆形，尺寸比 大，与基体界面处也有空隙。夹杂物硬而脆，易导致钢开裂。第 期沈 函等：级油套管钢的显微组织和晶体学特征对硫化物应力开裂的影响 图 试样 断口截面的微观形貌（，）和 方框内的放大图（，）（，）（，）图 试样 断口附近（）、与 混合夹杂物（）以及对应的 元素面分布（，）（）（）（，）上 海 金 属第 卷 晶体学特征图（，）为试样 和 的 分布图。图 中从蓝色到红色区域表示位错密度从低到高，各晶粒内应变分布不均匀，主要是 的局部取向差。如图（）所示，试样 的低 值（小于 ）晶粒的百分比高于试样，而试样 的高 值晶粒更多，因此可以推断试样 裂纹附近的位错密度比较高。图（，）为试样 和 的晶界分布图。按取向角差（）分类，大于 小于 的晶界为，大于 小于 的晶界为。采用 软件计算两个试样中 和 的百分比，如图（）所示。试样 的 百分比（）高于试样（），而 的百分比（）高于（）。图 试样（）和（）的 图及 值分布统计图（）（，）（）（）（）图 试样（）和（）的晶界以及 和 的百分比（）（，）（）（）（）图（，）为试样 和 的再结晶晶粒分布图，蓝色、黄色和红色分别表示再结晶晶粒、亚结构晶粒和变形晶粒。由图 可知，试样 裂纹附近区域几乎都是变形晶粒，而试样 中的变形晶粒较少且分散。用 软件统计并绘制 种晶粒的面积分数如图（）所示。可以看出，试样 中变形晶粒面积分数较大（），亚结构晶粒（）和再结晶晶粒（）面积分数较小；试样 中变形晶粒面积分数（）大幅度降低，亚结构晶粒（）和再结晶晶粒（）面积分数较大。能量较低的再结晶晶粒和亚结构晶粒能有效阻碍 的发生，而变形晶粒具有较高的储能，裂纹易沿高能量的路径扩展，因此变形晶粒过多会促进 的发生。分析与讨论微观组织是影响材料力学性能和抗 性能的重要因素。经 淬火和 回火的 级油套管钢的室温组织均为细小均匀的回火索氏体（图），强度高、抗 性能好。回火的钢中位错密度显著下降，碳化物聚集长大，从而 导 致 钢 的 强 度 降 低，但 抗 性 能 提高。钢中含有、等合金元素，能析出细小碳化物钉扎晶界从而细化晶粒，具有细晶强化和弥散强化作用。第 期沈 函等：级油套管钢的显微组织和晶体学特征对硫化物应力开裂的影响 图 试样（）和（）中的再结晶晶粒（，）及再结晶晶粒、亚结构晶粒和变形晶粒的面积分数（）（，），（）（）（）钢中粗大的夹杂物影响抗 性能。试样 断口附近有较多 夹杂物和孔洞（图 和图），尺寸较大且形状不规则，与基体之间的结合强度低导致界面分离，并在变形过程中产生大面积的微小空隙。等采用电化学充氢法观察氢鼓泡时发现，钢中氢致开裂首先发生在富 的氧化物周围。等研究也指出，夹杂物硬而脆，易与基体分离，导致氢原子在夹杂物与基体间的孔洞聚集，从而增加了氢致开裂敏感性。因此，试样 未能通过 法试验的主要原因是钢中存在较多尺寸大且分布集中的夹杂物，是有害的不可逆氢陷阱，氢被捕获后易产生氢压，导致抗 性能恶化。晶界、取向差角及变形晶粒等晶体学特征也影响油套管钢的 行为。两个试样中高 值晶粒的平均取向差角基本不超过 。值得注意的是，试样 裂纹附近区域的 值明显高于试样（图（，），这与图（）所示的统计结果一致。位错是氢原子的可逆氢陷阱，被位错捕获的氢浓度不足以达到形成裂纹的临界值，但能促进氢在金属中扩散至裂纹尖端导致开裂。此外，靠近裂纹尖端的能量释放为裂纹扩展提供了足够的驱动力，附近区域显示出较高的 值。试样 的 占比高于试样，的占比则较低（图），通常裂纹更易沿 扩展。等的研究表明，由于位错聚集，具有高晶格畸变和高储能，有利于裂纹的形成和扩展，因此 占比的降低有利于提高抗 性能。试样 中几乎都是变形晶粒，而试样 则主要是再结晶晶粒，变形晶粒减少（图）。对比图 所示的 图可知，变形晶粒面积分数高的区域 值也大。能量较低的再结晶晶粒和亚结构晶粒能有效阻止裂纹的萌生和扩展，而变形晶粒的位错密度和能量均较高，更易导致。结论（）法单轴拉伸试验断裂（）和未断裂（）的 级油套管钢试样组织均为细小均匀的回火索氏体，使钢具有较高的强度和良好的抗 性能。（）试样 断口横截面有较多尺寸大且分布集中的夹杂物，氢原子会在这些夹杂物边界的空隙聚集形成氢分子，在外力的作用下导致裂纹萌生，增大 倾向。（）裂纹附近区域的 值较高，裂纹更易沿高 值的区域扩展，试样 中的 占比大于试样，有利于裂纹的扩展。（）试样 中裂纹附近几乎都是变形晶粒，而试样 中更多的是再结晶晶粒和亚结构晶粒，变形晶粒多的区域 值也较高，易造成硫化物应力开裂。参考文献 朱光有，张水昌，李剑，等 中国高含硫化氢天然气的形成及其分布 石油勘探与开发，（）：胡文瑞，鲍敬伟，胡滨 全球油气勘探进展与趋势 石油勘探与开发，（）：，（）：上 海 金 属第 卷 李明，李晓刚，陈华 在湿 环境中金属腐蚀行为和机理研究概述 腐蚀科学与防护技术，（）：董绍华 油气管道氢损伤失效行为研究进展 油气运输，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：张银，王林珠，李军旗，等 国内外油井钢中非金属夹杂物的对比分析 钢铁，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，：修回日期：