X65管线钢焊缝抗HIC性能分析资料.docx

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X65管线钢焊缝抗HIC性能分析资料

本科课程设计（论文）

题目：

X65管线钢抗HIC性能测试

学生姓名：

杨乐

院（系）：

材料科学与工程学院

专业班级：

材料物理0901

指导教师：

吕祥鸿

完成时间：

2012年9月

《材料物理专业》

课程设计任务书

题目

X65管线钢焊缝抗HIC性能测试

学生姓名

杨乐

学号

200912020129

专业班级

材物0901

设

计

内

容

与

要

求

包括：

原始数据，技术参数，设计要求，说明书、图纸、实物样品的要求等

1.课程设计内容

结合本课程设计题目，充分查阅书籍及国内外文献，了解相关研究背景、现状及意义，并认真完成文献综述。

按照课程设计内容要求进行实验工作，具体任务如下：

（1）查阅相关书籍、文献，了解X65管用钢的国内外研究现状；

（2）熟悉氢致开裂（HIC）试样的制备方法；

（3）熟悉HIC的试验过程及步骤；

（4）进行X65管用钢的HIC试验；

（5）对实验结果进行分析，按照《本科专业课程设计报告的撰写要求》认真撰写课程设计报告，并进行答辩。

2.课程设计的基本要求

（1）遵守《西安石油大学本科专业课程设计工作管理规定》和所在单位的各项规章制度，遵守纪律，注意安全；

（2）按照本科专业课程设计中的有关规定完成课程设计工作；

（3）按照《西安石油大学本科专业课程设计报告撰写规范》进行课程设计报告的撰写工作。

起止时间

2012年 9月 9日至2012年9月23日

指导教师签名

年月日

系（教研室）主任签名

年月日

学生签名

年月日

X65管线钢焊缝抗HIC性能测试

【摘要】：

根据焊接接头性质、环境特性和其他变量，湿硫化氢环境中因焊接接头腐蚀所产生的氢的吸收会产生不同的影响。

在压力容器、压力管道中观测到的一个有害作用是裂纹沿钢材轧制方向发展。

平面裂纹倾向于与相邻的平面裂纹相连，形成穿过壁厚的台阶状裂纹。

裂纹会减少有效壁厚,直至压力容器、管道变得过应力而开裂。

进行抗HIC试验,结合强韧性、化学成分及金相组织等因素对焊接接头HIC性能进行了分析。

【关键词】：

管线钢；焊接接头；H2S；HIC

目录

1绪论-1-

1.1选题意义-1-

1.2国内外研究现状-1-

2实验原理及内容-3-

2.1氢致开裂原理-3-

2.2实验材料与设备-3-

2.2.1试剂-3-

2.2.2试验仪器-4-

2.2.3试样——X65管线钢焊缝-4-

2.3实验方法-4-

2.3.1试样的浸泡-4-

2.3.2净化和H2S的引入-5-

2.3.3pH值测定-5-

2.3.4试验持续时间-6-

2.3.5试验温度-6-

2.4实验步骤-6-

2.5评定试样要求-7-

3试验结果分析-8-

3.1氢致开裂实验结果-8-

3.2氢致开裂实验结果分析-9-

3.3氢致开裂实验结果讨论-9-

4结论-10-

附录A—处理毒性物质H2S时的安全考虑-11-

附录B—碘滴定测定试验溶液中硫化氢浓度-11-

参考文献-12-

1绪论

1.1选题意义

随着我国石油、天然气工业的发展和“西气东输”工程的进行，输送的天然气压力愈来愈大，管线钢强度也越来越高，因此，对输送管线钢的服役安全性要求也越来越苛刻。

我国气田中硫化氢（H2S）含量较高，H2S通过化学反应，极易导致输送管体产生氢诱发裂纹（HydrogenInducedCracking—简称HIC）【1】。

近年来，湿H2S环境下引起压力容器及管道的腐蚀、氢致开裂（HIC）、H2S应力腐蚀开裂（SSCC）等事故率有不断上升的趋势,湿硫化氢环境造成设备破环带来的损失是巨大的,也是当前采油、炼油、化工、煤气生产中最为突出的腐蚀问题和技术难题之一。

硫化氢腐蚀广泛存在于油气开采运输、石化加工生产中,是造成众多事故的重要破坏形式之一。

油气管线在遭受H2S腐蚀时，可能发生均匀腐蚀、坑蚀、氢鼓泡、氢诱发阶梯裂纹，氢脆及硫化物应力腐蚀开裂等，且各种腐蚀形式互相促进，最终导致管材开裂并引发大量恶性事故。

因此，为最大程度地抑制H2S腐蚀，减少事故的发生，对HIC的特点、机理、影响因素及防护进行分析总结是有重要意义的。

氢致开裂是钢中存在氢导致钢的延展性下降的结果。

氢致开裂渐渐产生击穿强度以下的低应力，这是造成钢材的使用范围缩小的原因之一。

由于是突然发生，有时会引起大事故，石油工业中使用的油井用钢管、输送管线，是钢材使用量最多的产品，都存在着氢蚀致脆问题。

油、气生产中使用的钢管大多暴露在湿的硫化氢（H2S）环境中，会有大量的氢侵入到钢中。

不锈钢中Cr是最有效提高耐点蚀性能的合金元素，因而探讨和研究低铬钢的抗SSC和HIC行为对于海洋油、气的安全开采和输送以及今后在实践中采取相应措施减少或避免灾害性事故的发生有着十分积极的意义。

本次研究的目的是验证X65钢在湿硫化氢环境下的抗氢致开裂（HIC）性能。

1.2国内外研究现状

自从20世纪50年代人们意识到是由于硫化物应力腐蚀开裂导致了诸多油田管道生断裂以来，材料的硫化物应力腐蚀开裂问题已受到越来越多的重视，不少学者对其进行了研究。

输气管道的服役条件多为潮湿环境，输送介质含H2S、酸性物质。

腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素，其中H2S应力腐蚀是管线钢腐蚀的重要形式之一。

它不仅造成因穿孔而引起的油、气、水等输送介质的泄漏，而且往往会造成重大的经济损失、油气输送中断、人员伤亡以及环境污染。

随着石油、天然气需求的不断增长,油、气井的开采条件日趋恶化、复杂,一些H2S含量高的腐蚀环境严酷的油气田的相继开发,迫切需要钢管制造业开发与生产适应这类酸性服役条件下的石油天然气输送用管。

经过不断地改进和完善工艺技术,对影响钢管的氢致开裂（HIC）及硫化物应力开裂（SSC）的各种因素进行了反复地实验和摸索论证,成功地开发出冷轧（拔）X65NCS钢管。

目前,我国正大力开发和利用海洋石油、天然气资源,这些油气矿藏均面临着含水量提高和腐蚀性气体（如H2S）增强的局面,而X65、X70、X80、P110、L245等钢是油、气采输过程中经常使用的管线钢，输气管道的服役条件多为潮湿环境,输送介质含H2S、酸性物质较多。

国内外的学者已经进行了相应环境下的模拟实验，也得到了很多的实验结果，铬元素在钢中的存在有抑制SSC和HIC的能力。

为了研究X65管线钢焊接接头的抗开裂性能和母材的止裂性能，对接头的金相组织进行了观察，并且进行了接头各区域裂纹尖端张开位移（CTOD）试验和母材的落锤撕裂试验（DWTT）.试验结果表明：

X65钢焊接接头焊缝和母材相比，组织粗大且不均匀，其冲击韧度和断裂韧度值均明显低于母材；X65钢管材对应剪切面积为40%的温度约为-35℃。

X65钢母材的抗开裂性能明显优于焊缝，且具有良好的止裂性能【2】。

2实验原理及内容

2.1氢致开裂原理

氢致开裂机理又称氢脆机理，是应力腐蚀断裂的第二种机理。

氢致开裂机理在某些情况下，氢是有用元素。

如氢能提高钛及其合金的自扩散，稳定β相，从而提高热塑性，改善热加工性能。

氢作为临时合金元素，能改变α+β型钛合金及金属间化合物的组织结构，从而大大改善其机械性能。

尽管如此，氢进入材料后往往引起各种损伤。

如过饱和氢冷却时产生的钢中白点、铝合金中的亮片以及硅单晶中的氢沉淀，在某些金属（如V，Nb，Ta，Ti，Zr，Hf，RE等）及其合金中形成脆性的氢化物相，高温（T>200℃）高压环境下的氢腐蚀，奥氏体钢及合金中氢所诱发的马氏体相变，原子氢扩散富集所引起的塑性损失和滞后开裂。

一般均把各种氢损伤统称为氢脆【3】。

 这种机理承认HIC必须首先有腐蚀，但是，纯粹的电化学溶解，在很多情况下,既不易说明HIC速度，也难于解释HIC的脆性断口形貌。

氢脆机理认为,蚀坑或裂纹内形成闭塞电池，局部平衡使裂纹根部或蚀坑底部具备低的pH值，这是满足阴极反应放氢的必要条件。

这种氢进入金属所引起的氢脆,是HIC的主要原因。

这种机理取决于氢能否进入金属以及金属是否有高度的氢脆敏感性。

高强度钢在水溶液中的HIC以及钛合金在海水中的HIC是氢脆引起的。

氢致开裂机理又可从三方面考虑：

①推动力理论。

化学反应所形成的气体（CH4）、H2O与沉淀反应所析出的氢气团和H2气的内在应力以及氢致马氏体相变应力，都可与外加的或残余应力叠加，引起开裂。

②阻力理论。

氢引起的相变产物如马氏体或氢化物，固溶氢引起的金属结合能及表面能下降，都可降低氢致开裂阻力，促进开裂。

③过程理论。

氢在裂纹尖端区多方向应力梯度下的扩散和富集，表面膜对氢渗入和渗出的影响，氢在金属内部缺陷的陷入和跃出，氢对裂纹尖端塑性区的影响等，都是氢致开裂或氢脆的过程理论。

上述的三种机理不是相互矛盾对立的，而是相辅相成的。

对于具体的体系，应从氢所造成的变化去确定起决定作用的机理。

2.2实验材料与设备【4】

2.2.1试剂

配制：

溶液A的试剂应为：

净化用氮气、H2S气体、NaCl,CH3COOH及蒸馏或去离子水。

溶液B的试剂应是：

净化用氮气、H2S气体及合成海水。

注：

H2S毒性强，使用时必须注意（见附录A）

2.2.2试验仪器

试验可在任何足够大的可容纳试样，包括净化和引入H2S的密闭容器内进行。

任何试验材料都不应污染试验环境或与试验环境发生反应。

图1为典型试验系统示意图。

图1典型试验系统示意图

2.2.3试样——X65管线钢焊缝

规格：

试验样品尺寸应为：

长：

100±1mm；宽：

20±1mm，如图2。

管壁小于等于30mm试样厚度应为管道全部壁厚。

如果管道壁厚大于30mm，试样厚度应为管道壁厚或应是所述最大厚度限制于30mm。

每一个表面最多允许去除1mm（内表面和外表面）。

试样坯料不应找平。

图2HIC试样尺寸示意图

2.3实验方法

2.3.1试样的浸泡

试样应放置在试验容器中,宽面直立，用最小直径为6mm的玻璃或非金属圆棒将试样与容器及其它试样隔开，试样的纵向轴线可垂直或水平。

（见图3）。

试验溶液体积与试样总表面积的最小比率为3mL/2cm。

只要维持试验溶液与试样表面积给定比率不变，一次放于试验容器中完全能浸泡、互相不接触的试样就可尽可能的多。

若使用溶液A,试验溶液应在单独的密闭容器中制备，在试验溶液输送到试验容器前，每公升试验溶剂要用流速为100mL/分的氮气进行净化处理最少1个小时。

试验溶液应由含5.0%NaCl（wt）和0.50%（wt）CH3COOH的蒸馏或去离子水构成,即：

50.0gNaCl和5.00g的CH3COOH应溶解在每945g蒸馏或去离子水中。

初始pH值为2.7±0.1，所有加入试验溶液试剂的数量误差不能超过给定量的1.0%。

图3试验容器内试样的排列方向

若使用溶液B,试验容器内应充满合成海水，并测定和记录pH值，合成海水的pH值应在8.1~8.3之间，以保证试验是有效的。

净化及通H2S饱和前，试验容器应是密闭的。

2.3.2净化和H2S的引入

（1）应在试验容器底部引入净化氮气和H2S气体。

（2）密闭容器应用氮气进行净化，净化时间至少一小时。

试验容器被充满后，应立即进行净化处理，流速至少为100mL/分每升试验溶液。

（3）净化后，H2S气体与试验溶剂混合，混合速率应至少为200mL/分每升试验溶液，持续时间为60分钟。

然后，必须保持H2S气体正压。

用碘滴定法测定试验溶液中H2S的浓度，H2S最小浓度应为2300ppm。

公认的碘滴定步骤见附录B。

.

2.3.3pH值测定

试验初期pH值：

若使用溶液A,试验开始时的pH值应在H2S达到饱和状态后立即测量，其值应不超过3.3。

若使用溶液B，H2S达到饱和状态后，应立即测量pH值，其值应在4.8-5.4之间。

试验终止时pH值：

试验终止时，应测定溶液的pH值。

对溶液A，有效试验的pH值应不超过4.0。

对溶液B，有效试验的pH值应在4.8～5.4之间。

2.3.4试验持续时间

试验持续时间应为96小时。

初期60分钟引入H2S后，应立即开始计算试验时间。

2.3.5试验温度

试验溶液的温度应为25±3℃（77±5℉）。

2.4实验步骤

1）试样的6个表面应该水磨或干磨，最后用320号砂纸抛光，使达到320粒度的粗糙度，所有试样应该用三氯乙烷或类似的脱脂溶液脱脂，之后用丙酮清洗。

2）配制实验溶液，测试并记录实验的pH值。

3）清洗后的试样装夹在专门制作的有机玻璃试样架上，要相互隔离；（如图3所示）

然后放入实验容器中将溶液注入实验容器之后将容器密封，以每分钟每升溶液100ml的速度通入氮气2h，其目的是置换溶液中溶解的氧，减少试样表面被氧化，排除氧化作用对渗氢的影响。

4）关闭氮气，以每分钟每升溶液200ml的速度通入硫化氢1h，使实验溶液迅速达到饱和状态，然后将H2S通气速度降为0.12升/分，持续96h维持溶液的饱和浓度。

5）通气完毕，先用氮气置换，然后取出试样，先用自来水反复冲洗，并将试样表面蛋黄色腐蚀产物打磨干净，再用蒸馏水清洗，用冷风吹干。

如有氢鼓泡，用照相机拍下1倍照片。

6）按照标准实验方法，将浸泡后的试样的检查采用线切割的方法剖开，将剖开面抛光后，采用大型金相显微镜观测每个试样上的裂纹分布，按照（图4）所示的方法测量裂纹的大小。

然后用裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）及裂纹厚度率（CTR）3个参数作为评价材料抗氢致开裂（HIC）性能优劣的指标。

计算表达式如下:

裂纹敏感率：

（式1）

裂纹长度比：

（式2）

裂纹厚度比：

（式3）

式中：

a-裂纹长度；

b-裂纹厚度；

W-试样宽度；

T-试样厚度。

图4试样尺寸和裂纹的CSR，CLR和CTR的计算

2.5评定试样要求

每个试样部分都要抛光成金相和侵蚀，如果需要的话，为的是能裂纹能从小的夹杂物、纹理、擦痕、不连续性中区分。

只要轻度的侵蚀。

大量的金相准备不要弄脏金属表面，以防止重要的裂纹变成隐蔽的。

因此，在最终金相抛光前，所有的检测面都要经过湿磁粉检测和宏观腐蚀。

二者选其一，在最终抛光后要做准备，对过程的详细描述以证明结果时清晰可见的裂纹。

要测量裂纹长度（如图4所示），在测量长度、厚度时，裂纹分离度小于0.5mm时，要考虑单层裂化。

所有在放大到100倍可确认为裂纹可见的都包括在计算范围内。

除内表面和外表面处于完全不超过1.0mm的试样（也许需要在高放大倍数下检测一些部分以区分裂纹、夹杂物、侧表面的凹坑、不连续性）。

抗氢致开裂（HIC）的实验值应按照NACETM0284-2003的验收标准进行，下列最大值为每个试样的3个截面的平均值:

裂纹敏感率（CSR）≤2%、裂纹长度率（CLR）≤15%以及裂纹厚度率（CTR）≤5%。

3试验结果分析

3.1氢致开裂实验结果

图5为试样在标准试验条件下，经过96小时后，简单的清理了试样后的宏观形貌图。

实验结果显示试样表面未发生开裂，且试样表面没有氢鼓泡。

将每个试样沿长度方向切为四个样品，切取方式参考NACETM0284-2003标准进行，每个试样观察三个截面，每个部分都要抛光成金相和侵蚀，如果需要的话，为的是裂纹能从小的夹杂物、纹理、擦痕、不连续性中区分。

只要轻度的侵蚀。

大量的金相准备不要弄脏金属表面，以防止重要的裂纹变成隐蔽的。

因此，在最终金相抛光前，所有的检测面都要经过湿磁粉检测和宏观腐蚀。

将制备后的试样置于金相显微镜下观察（放大倍数为100倍），对9个截面所出现的裂纹长度进行测量，没有一个试样出现裂纹如图6所示。

因此，裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）和裂纹厚度率（CTR）均为0。

结果证明L245钢通过了NACETM0284-2003标准的验证，有抑制氢致开裂的能力。

图5宏观形貌图

图6金相显微图片（100倍）

3.2氢致开裂实验结果分析

氢致开裂原理分析：

当H2S与液相水或含水物流共存时，就形成湿H2S腐蚀环境。

钢在该环境中的腐蚀反应过程可以表示如下：

H2S→H++HS-（式4）

H++S2-（式5）

阳极反应Fe→Fe++2e（式6）

Fe2++HS-→FeS+H+（式7）

或Fe2++S2-→FeS（式8）

阴极反应

2H++2e→2H→H2（逸出）2H（渗入金属内部）（式9）

总反应

Fe+H2S→FeS+H2（逸出）2H（渗入金属内部）（式10）

从反应过程可知，硫化氢在水溶液中离解出的氢离子，从钢表面得到电子后还原成氢原子。

氢原子之间有较大的亲和力，易结合形成氢分子排出。

然而，介质中的硫化物、氰化物等削弱这种亲和力，部分抑制了氢分子的形成，这样以来原子半径极小的氢原子就很容易渗入钢的内部并溶入晶格中。

固溶于晶格中的氢有很强的游离性，在一定条件下将导致材料的脆化和氢损伤。

因此，湿H2S环境除了可以造成过程设备的均匀腐蚀外更重要的是引起一系列与钢材渗氢有关的腐蚀开裂。

3.3氢致开裂实验结果讨论

试验的结果可能出现许多，这里只简单的介绍几种：

（1）试验结束后，试样金相显微镜下观察（放大倍数为100倍）没有裂纹，但是出现大量氢鼓泡，虽然不算试样失效，但要改善冶金工艺，可能是杂质、气孔和非金属夹渣过多。

（2）试验结束后，试样金相显微镜下观察（放大倍数为100倍）出现很多在允许范围内的裂纹，虽然不算试样失效，但要找到其他原因，如焊接工艺、成分分析等，以改善这种情况。

（3）试验结束后，试样金相显微镜下观察（放大倍数为100倍）出现很多在接近允许范围内（距离表面1mm内）的裂纹，这种情况，应该算是失效。

（4）试验结束后，试样金相显微镜下观察（放大倍数为100倍）没出现氢鼓泡，也没出现裂纹，但是出现了很多小黑点。

这种情况虽然不算失效，但也要引起重视，这些小黑点为蚀坑。

（5）试验结束后，试样金相显微镜下观察（放大倍数为100倍）没出现氢鼓泡，也没出现裂纹。

4结论

在NACETM0284-2003标准实验环境下，进行试验对X65钢的焊缝进行研究，得到了以下的结论：

在NACETM0284-2003标准实验环境下，无试样出现裂纹，无试样在表面出现氢鼓泡。

表明X65钢焊缝具有抗氢致开裂的能力。

附录A【4】—处理毒性物质H2S时的安全考虑

H2S导致工业性中毒事故高于其它任何一种化学物质。

相当数量的此类事故是致命的。

任何用到H2S的试验，必须仔细制订试验计划，小心谨慎地操作。

职业安全与健康管理部门（OSHA）允许的8小时工作日的空气中最大H2S浓度为20ppm，高于嗅觉监测值。

然而，随着浓度的不同，暴露在毒性气体中2～15分钟后，嗅觉神经就会坏死。

因此，气味不是一个完全可靠的报警系统。

附录B【4】—碘滴定测定试验溶液中硫化氢浓度

该程序详细地描述了使用碘滴定测定试验溶液中硫化氢浓度的方法。

试剂/设备

标准碘滴定溶液（0.1N（4）），浓HCl（大约37wt%HCl）

淀粉溶液

标准硫代硫酸钠溶液（0.1N（4））

10-mL、25-mL吸液管

250-mL带塞子锥形烧瓶

100-mL烧杯

25-mL滴管

应使用高纯度化学试剂

操作程序

1.吸取25mL（4）标准碘溶液（0.1N（4））置于250-mL锥形烧瓶内。

2.用大约5mL浓HCl进行酸化处理。

3.将大约50mL试验溶液从试验容器倒入干净的烧杯中，丢弃最初的25~50mL溶液。

4.立即用吸液管从大口杯中吸取10mL试验溶液并排掉，使用吸液管再吸取10mL，将试液

倒入锥形烧瓶内。

5.加入大约2mL淀粉溶液。

参考文献

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1001-1447（2004）06-0014-03.

[2]张莉，张玉凤，霍立兴等.X65管线钢焊接接头抗开裂性能及止裂性能[J].材料工程，天津大学报；2004（04）：

50075061.

[3]N褚武扬.氢致开裂和应力腐蚀机理新进展[J].材料科学，自然科学进展；1991（05）.

[4]NACE标准TM0284-2003.管道、压力容器抗氢致开裂钢性能评价的试验方法[M].