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油氣管道沿途常經(jīng)懸崖，深溝，湖泊等復雜地形，因此需要大量的彎管。而熱煨彎管因其殘余應(yīng)力小，管道圓度好、彎曲角可調(diào)范圍大等優(yōu)點，是彎管的首選制造方法，此外，油氣管道的服役條件多為潮濕環(huán)境，輸送介質(zhì)含 H2S及酸性物質(zhì)較多，H2S的存在可導致金屬材料突發(fā)性的硫化物應(yīng)力開裂和氫致開裂，不僅 造成油、氣泄漏，而且還會造成重大的經(jīng)濟損失，人員傷亡、環(huán)境污染等。因此， 合理使用抗硫管材對管道系統(tǒng)可靠性及使用壽命具有重大意義。

目前，對于抗硫管材的研究已有不少報道47,不過有關(guān)抗硫彎管的研究報道卻很少，因此，本研究對采用感應(yīng)加熱技術(shù)生產(chǎn)的L245NS 級準406.4 mmx10.31mm抗硫彎管進行了力學性能，氫致開裂(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSC)試驗評價，并結(jié)合彎管的微觀組織特點分析了HIC裂紋產(chǎn)生的原因，為抗硫彎管的工藝改進及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

1、試驗材料與試驗方法

1.1、試驗材料

試驗采用國內(nèi)某鋼管廠提供的L245NS級準406.4 mmx10.31 mm彎管，彎曲半徑為6D，采用感應(yīng)加熱技術(shù)熱煨彎制而成，其加工工藝為加熱溫度890~930 C，推進速度35~45 mm/min.采用工業(yè)純凈水進行冷卻，冷卻后在580~630 C回火空冷。彎管母管的化學成分見表1。

1.2、非金屬夾雜物及金相組織分析試驗

在彎管管體處取全壁厚縱向試樣，在彎管的內(nèi)，外弧側(cè)管體及母管處取全壁厚橫向試樣，試樣先經(jīng)粗磨、細磨和拋光。依據(jù)ASTM .E45-2005標準在MEF4M金相顯微鏡上對彎管非金屬樣，在MEF4M金相顯微鏡觀察金相組織。

1.3、拉伸試驗和夏比沖擊試驗

在母管管體及彎管的內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)管體處分別取橫向矩形拉伸試樣與橫向夏比沖擊試樣。其中，矩形拉伸試樣縮減區(qū)寬度為38.1 mm,材距測量長度為50mm，按照ASTM A 370- -201(標準的規(guī)定，在UH-F50OKNI材料試驗機上測試拉伸性能，沖擊試樣加工成7.5 mmx10 mmx55 m的V形缺口夏比沖擊試樣，在0 C和-20 C下按照ASTM A370- 2010標準規(guī)定，在JB-500沖擊試驗機上測量夏比沖擊功，取3次沖擊結(jié)果的平均值。

1.4、HIC和SSC試驗

分別在母管管體及彎管的內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)管體處取縱向試樣，按照NACE TM 0284- 2003 標準規(guī)定，進行HIC試驗。試驗采用溶液A (pH=3)，將試樣置于密閉容器中，保持常溫(25+3)C，常壓，通入H2S氣體直到飽和，保持96h后，取.出試樣，切割觀察，根據(jù)試樣所產(chǎn)生的裂紋數(shù)量，長度及寬度評定其裂紋長度率(CLR)，裂紋寬度率(CTR)和裂紋敏感率(CSR)， 將存在裂紋的試樣用2%的硝酸酒精溶液浸蝕，在MEF4M金相顯微鏡下觀察裂紋及周圍組織形貌。

按照NACETM0177-2005標準A方法對.母管管體及彎管的內(nèi)，外弧側(cè)管體處縱向試樣進行SSC試驗。在常溫常壓下，采用恒載荷試驗機對浸泡在H2S飽和溶液(溶液A)中的試樣加載.應(yīng)力加載量為221MPa (90%的最小屈服強度)，720h后停止試驗，取出試樣觀察。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1非金屬夾雜物及金相組織

彎管非金屬夾雜物的檢驗結(jié)果見表2.檢驗發(fā)現(xiàn)管體主要存在少量的D類球狀氧化物夾雜(如圖1所示)，并未發(fā)現(xiàn)明顯的硫化物夾雜。一般來說，夾雜物界面是強的氫陷阱，是裂紋的發(fā)源地，夾雜物越多，其氫致開 裂越嚴重。L245NS彎管內(nèi)、外弧側(cè)及母管管體金相組織如圖2所示。由圖可見，母管為均勻的鐵素體和珠光體組織(見圖2(a))。經(jīng)感應(yīng)加熱技術(shù)熱煨制后，彎管內(nèi)弧側(cè)管體的組織以鐵素體和珠光側(cè)管體的組織為鐵素體和珠光體組織。比較組織類型和晶粒尺寸發(fā)現(xiàn):內(nèi)弧側(cè)管體組織不僅增加了貝氏體組織，晶粒尺寸還較大， 平均尺寸達24μm.這是在感應(yīng)加熱彎制過程中，該部位局部溫度較高，導致鋼中微合金碳、 氮化物的溶解，使得其對奧氏體晶?！搬斣弊饔玫臏p弱或消失，致使晶粒明顯粗化。此外，相對母管 及內(nèi)弧側(cè)組織，彎管外弧側(cè)存在較明顯的帶狀組織

2.2 HIC 試驗

對3組(母管、內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè))試樣進行HIC試驗，經(jīng)過H2S飽和溶液(溶液A) 96h的浸泡，試樣表面有氫鼓泡，剖面金相觀察HIC裂紋，結(jié)果見表3，根據(jù)ISO15590-1- -2009 中CLR≤15%，CTR≤5%， CSR≤5%的 規(guī)定，L245NS 抗硫彎管HIC試驗結(jié)果符合標準要求，其中，內(nèi)弧側(cè)的CLR，CTR和CSR檢驗值最高，HIC每感性最大。

一般認為，鋼中兒種形態(tài)的夾雜物中，條帶狀MnS夾雜是氫的更強陷阱。當存在條帶狀集，一方面會造成氫積壓在夾雜物處形成微裂紋，另一方面又和裂紋尖端材料作用 使尖端金屬鈍化，從而加速裂紋的擴展。

由彎管非金屬夾雜物的檢驗結(jié)果可知，彎管中存在少量的球狀氧化物夾雜，未發(fā)現(xiàn)明顯的硫化物夾雜;而彎管的母管和內(nèi)、外弧側(cè)管體中夾雜物類型和數(shù)量基本相同，但CLR，CTR 和CSR檢驗值還相對存在--些不同，謝廣宇等人研究"表明，在化學成分和夾雜物相同的情況下，決定其抗腐蝕性能的主要是顯微組織.HIC裂紋及周圍組織如圖5所示，由圖可見，內(nèi)弧側(cè)管體試樣HIC裂紋周圍存在較多貝氏體組織，外弧側(cè)管體試樣HIC 裂紋主要產(chǎn)生在帶狀偏析附近。一般認為組織中的位錯會降低管線鋼材料中的抗HIC性能。這是由于飽和H2S溶液中大量離子態(tài)的氫通過電化學反應(yīng)，使原子態(tài)氫滲入到材料的內(nèi)部，在鋼中缺 陷部位位錯、夾雜界面處聚集，形成氫分子， 使鋼材內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，以致引起界面開裂，形成氫鼓泡。當氫的壓力繼續(xù)增高時 ，在鋼內(nèi) 部發(fā)生氫鼓泡的區(qū)域，小的鼓泡裂紋趨向于相互連接，形成有階梯狀特征的HIC。

3、結(jié)論

（1）經(jīng)890~930C感應(yīng)淬火+580~630C回火空冷后，L245NS 級準406.4 mmx10.31 mm彎管強韌性能、HIC試驗結(jié)果符合ISO 15590-1-2009的要求；在NACETM0177--2005試驗環(huán)境下，L245NS彎管表現(xiàn)出良好的抗SSC性能。

（2）彎管內(nèi)、外弧側(cè)管體強度和沖擊韌性相對母管均有不同程度的提高。外弧側(cè)的晶粒尺寸最小，表現(xiàn)出最高的沖擊韌性。

（3）彎管不同部位在化學成分和夾雜物樸同的情況下，其抗腐蝕性能主要由顯微組織決定

（4）貝氏體中的位錯會降低材料的抗HIC性能，因此內(nèi)弧側(cè)HIC裂紋多形成在貝氏體組織周同、可通過合理控制內(nèi)弧側(cè)管體加熱溫度和冷卻速率減少貝氏體組織，外弧側(cè)管體組織中的帶狀偏析是氛的強陷阱，可進一步優(yōu)化彎管熱處理工藝，使組織平衡化，減少或消除帶狀組織，以提高其抗腐蝕的能力。