含鈦X80管線鋼中硫化物的衍變規(guī)律研究.pdf

1、隨著石油、天然氣輸送管線的建設(shè)和發(fā)展，用戶對(duì)管線鋼的質(zhì)量要求越來越高。對(duì)厚壁管除要求高強(qiáng)度、高韌性之外，還對(duì)其抗氫致裂紋(HIC)和抗硫化物應(yīng)力腐蝕(SSCC)性能提出了更高的要求。大多數(shù)情況下HIC和SSCC都是由夾雜物引起的。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)管線鋼夾雜物的控制尤為重視。為了提高管線鋼抗HIC和抗SSCC能力，必須盡量減少鋼中夾雜物，精確控制夾雜物形態(tài)，尤其是對(duì)管線鋼性能危害較大的MnS夾雜物的控制，改變其形態(tài)是管線鋼冶煉的重要任務(wù)之一

2、。傳統(tǒng)的鈣處理，稀土處理等對(duì)MnS的變性手段不能從本質(zhì)上消除MnS對(duì)鋼性能的影響。為了進(jìn)一步提高X80管線鋼的抗HIC性能，本文采用向鋼中添加元素Ti使MnS變性，系統(tǒng)研究了添加Ti后X80管線鋼中硫化物的衍變規(guī)律及對(duì)鋼性能的影響。
　　本文首先研究了影響X80管線鋼中硫化物形態(tài)的因素，對(duì)不同硫含量，溶解氧，冷卻方式下鋼中的硫化物形態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明，隨著鋼中硫含量的增加，橢圓狀、棒狀的MnS夾雜物逐漸演變成球狀，鏈狀

3、夾雜物的密集程度也顯著減小，鏈條長(zhǎng)度逐漸變短。低硫含量的管線鋼中硫化物粒度分布在較小的范圍內(nèi)，高硫管線鋼中的硫化物尺寸會(huì)成倍增加。隨著鋼中氧含量的增加，和氧化物結(jié)合的硫化物的比例逐漸增高，純的MnS夾雜物變少。鋼中硫化物從單相MnS向氧硫復(fù)合夾雜物轉(zhuǎn)變，形狀從不規(guī)則向球形轉(zhuǎn)變。溶解氧含量在10×10-6以下時(shí)，鋼中硫化物主要是以單相MnS為主，基本上沒有氧硫復(fù)合夾雜物;溶解氧含量在(35～75)×10-6之間時(shí)，夾雜物的基本成分以硫化物

4、與氧化物為主，且主要是以硫化物包裹氧化物的形式出現(xiàn)。隨著冷卻速率的增加，MnS的形貌由不規(guī)則的長(zhǎng)條狀、橢圓狀逐漸演變?yōu)橐?guī)則的球狀，鏈狀MnS夾雜物的密集程度也顯著減小，長(zhǎng)度變短;同時(shí)MnS夾雜物的尺寸也逐漸降低，數(shù)量有所增加，分布變得更加密集。
　　熱力學(xué)計(jì)算表明，在1250K以下，TiC0.5S0.5的穩(wěn)定性僅次于TiN，各個(gè)物質(zhì)間的溶度積按以下順序遞增:TiN＜TiC0.5S0.5＜TiS＜MnS＜TiC。依據(jù)factsage

5、軟件計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同硫含量下加入使鋼中MnS完全轉(zhuǎn)變?yōu)門i4C2S2的鈦含量進(jìn)行高溫模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在每一個(gè)水平的硫含量下，隨著鈦含量的增加，鋼中MnS的數(shù)量會(huì)有所減少，同時(shí)會(huì)析出部分尺寸細(xì)小的TiS和Ti4C2S2粒子。通過對(duì)凝固過程含鈦X80管線鋼中的硫化物研究發(fā)現(xiàn)，從1873K溫度降低到1073K的凝固過程中，X80鋼中硫化物的轉(zhuǎn)變路徑為:MnS→TiS→Ti4C2S2，且硫化物的尺寸逐漸減小。晶體學(xué)研究表明，TiS和T4C282有

6、相似的晶體結(jié)構(gòu)和原子占據(jù)，TiC和TiS通過同晶取代轉(zhuǎn)變?yōu)門4C2S2。
　　通過對(duì)普通X80管線鋼和含鈦X80管線鋼中硫化物軋制前后形貌對(duì)比發(fā)現(xiàn)，普通X80鋼中夾雜物主要以單相MnS為主。軋制前，鋼中MnS多為球狀分布，直徑分布在5～10μm范圍內(nèi);軋制后塑性MnS發(fā)生變形，長(zhǎng)寬比增加，細(xì)長(zhǎng)的條帶狀MnS明顯增多。含鈦X80管線鋼中硫化物主要以Ti4C2S2為主，個(gè)別樣中含有極少量未完全轉(zhuǎn)變的MnS夾雜物。軋制前，鋼中的T4C2

7、S2夾雜物呈球狀均勻分布于鋼基體中，直徑約為2～5μm;軋制后，鋼中Ti4C2S2夾雜物發(fā)生微變形或不變形，呈球形或者紡錘狀分布。
　　力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，隨著X80鋼中鈦含量增加，X80管線鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，延伸率降低。鈦加入后，屈強(qiáng)比提高達(dá)0.71～0.78。對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，隨著鋼中鈦含量的提高，韌窩由短變長(zhǎng)、由小變大、由淺變深。但韌窩內(nèi)的含鈦夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，是斷裂初期微孔形成的核心，促使裂紋長(zhǎng)大

8、或擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋼基體韌性降低。因此，管線鋼中鈦含量不宜過多。對(duì)本試驗(yàn)鋼而言，合適的鈦含量應(yīng)為0.05％以下。
　　對(duì)普通X80鋼和含鈦X80鋼進(jìn)行HIC實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，普通X80鋼試樣的平均裂紋率CLR、CTR和CSR分別為9.32％、2.91％和0.81％，而含鈦X80鋼的平均裂紋率CLR、CTR和CSR僅為0.81％、0.06％和0.06％。由此可見，含鈦X80管線鋼實(shí)驗(yàn)后的裂紋率CLR、CTR和CSR遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通X80管線鋼，