新型含Cu管线钢——提高管线耐微生物腐蚀性能的新途径

微生物腐蚀是造成管线材料破坏和失效并导致巨大经济损失的一个重要原因,发展具有耐微生物腐蚀性能的新型管线钢是从材料自身角度降低发生微生物腐蚀倾向的新途径,具有重要的科学意义和应用价值。在传统的管线钢化学成分基础上,通过适量的Cu合金化,在服役环境中发生的微量铜离子的持续释放会杀死细菌并抑制细菌生物膜形成,从而起到耐微生物腐蚀作用,这是提高管线钢耐微生物腐蚀性能的主要创新思想。本文通过总结当前管线钢的微生物腐蚀及其研究现状,提出了一种从材料角度防治微生物腐蚀的新方法。介绍了新型含Cu管线钢在合金设计、组织结构、力学性能、抗氢致开裂性能和耐微生物腐蚀性能方面的研究进展,重点介绍了含Cu管线钢在实验室条件下的耐微生物腐蚀性能研究结果,最后展望了新型含Cu管线钢的未来发展趋势。     

M/A组元对高强度管线钢抗H2S性能的影响

研究了两种X90级别具有针状铁素体组织结构的高强度管线钢的抗H2S性能。结果表明,具有大尺寸M/A组元的管线钢的抗H2S性能不佳,表现为随着实验条件的加剧,氢致鼓泡密度增加,氢致开裂(HIC)参数提高,硫化物应力腐蚀开裂(SSC)失效时间变短。通过对比两种钢中不同尺寸、不同体积分数M/A组元的差异,结合SEM对氢致裂纹扩展路径进行观察,解释了M/A组元对H2S腐蚀性能的影响及机理。控制M/A组元体积分数在8%以下和尺寸小于2μm将不会影响管线钢的抗H2S腐蚀行为。     

P91钢管长时间服役后的组织与力学性能

利用光学显微镜、扫描电镜及透射电镜对571℃、24.5 MPa条件下服役40 000 h的主蒸汽P91钢管道弯管段和直管段的组织进行了观察,并测试了其力学性能。结果表明,弯管段的硬度、拉伸强度较直管段严重偏低;组织对比发现,弯管段的马氏体组织较直管段发生严重的板条宽化,而且碳化物和亚晶粗化长大,位错密度降低,马氏体转变成铁素体。分析认为,热处理工艺不当导致弯管段出现块状铁素体是导致P91钢管弯管段长期服役后硬度和强度偏低的主要原因。     

铜对管线钢连续冷却转变行为的影响

利用热膨胀仪结合显微组织观察、硬度表征和精细微观组织结构分析,对3种Cu含量管线钢的连续冷却转变行为进行了研究。结果表明,在不同冷速下,组织均由复杂的混合型针状铁素体组成;随着Cu含量增加,组织的晶粒尺寸更细小,获得完全针状铁素体的冷速范围更宽。高Cu含量管线钢的硬度-冷速曲线中会出现硬度峰值,分析认为高Cu含量管线钢在连续冷却转变过程中会在一定冷速下会发生Cu的析出。     

多边形铁素体/针状铁素体双相管线钢的应变硬化行为

对X70管线钢进行临界区热处理,制备出四种铁素体/针状铁素体(PF/AF)体积分数不同的双相管线钢。用电子背散射衍射(EBSD)分析了PF含量对这种双相管线钢的晶粒尺寸、大角度与小角度晶界的比例以及几何必要位错密度(GND)的影响;通过Hollomon和修正C-J方程分析了这种钢的应力比与应变硬化指数(n值)的关系,以及不同PF体积分数双相管线钢的塑性变形和应变硬化的机理。结果表明,PF/AF双相管线钢的应变硬化能力几乎与应力比无关,而应变硬化指数与均匀延伸率表现出特定的线性关系。随着PF体积分数的提高,这种钢的颈缩点后移且应变硬化行为由两阶段向三阶段转变。PF体积分数的改变,对其第I和第II阶段的应变硬化能力有显著的影响。     

X70级抗大变形管线钢的组织与性能

通过成分设计、相变规律研究、工业规模试制,分别获得了(PF+B)双相组织及AF组织的管线钢钢板。二者的试验研究结果表明,当弛豫终止温度低于相变开始温度后,组织中将出现多边形铁素体(PF)。弛豫终止后以20℃/s左右的冷速加速冷却时,未转变的奥氏体转变为由粒状铁素体(GF)及贝氏体铁素体(BF)组成的贝氏体B组织。相比于AF组织管线钢,(PF+B)组织管线钢具有较低的屈强比及较高的伸长率。试验获得的(PF+B)组织管线钢的轧板厚度达30.8mm,强度级别达到X70级,拥有较低的屈强比和较高的伸长率,满足海底管线对抗变形性能的要求。     

贝氏体含量对F/B双相管线钢力学性能的影响

采用700、720、740、760 ℃临界区热处理的方法,依次获得了4种不同贝氏体体积分数(16%、28%、41%、48%)的铁素体/贝氏体(F/B)双相管线钢。利用SEM、TEM及力学性能测试手段,研究了贝氏体含量对管线钢的强度、塑性和韧性的综合影响规律。结果表明,相比原始组织,F/B双相管线钢具有较低的屈服强度和相当的抗拉强度,从而具有较好的应变能力,表现为较低的屈强比,较高的伸长率和加工硬化指数。贝氏体含量对F/B组织管线钢的强度、伸长率和加工硬化指数影响较小,对冲击性能的影响显著。贝氏体含量在40%左右时可获得最佳的强度、塑性和韧性。     

Mo含量对高等级管线钢相变行为及组织和性能的影响

通过调整一种高强韧管线钢中的Mo含量,研究Mo含量对动态相变规律的影响。在相同热机械控制轧制(TMCP)工艺下,比较Mo含量为0.2%和0.3%的两种钢的强度和韧性的差异,通过光学显微镜、EBSD、TEM等手段研究两种钢的复杂针状铁素体组织,并对组织和性能间的关系进行分析。结果表明:提高Mo含量有利于组织细化和针状铁素体的形成,动态CCT曲线向右下方移动;在相同轧制工艺条件下,0.3%Mo钢具有更高的强度,Mo含量的增加有助于提高沉淀强化和细晶强化的作用,同时增加了贝氏体铁素体(BF)的体积分数和MA岛的尺寸及数密度,并进一步提高了强度;两种钢在大角度晶界比例相同时,0.3%Mo钢的冲击性能较差,MA岛的尺寸和数密度及形状的不规则程度是影响冲击性能的主要因素。     

几种高速列车用弹簧钢的脱碳敏感性

研究了51CrV4、52CrMoV4、60Si2CrVA、60Si2MnA共4种高速列车常用弹簧钢的表面脱碳形貌,比较了脱碳敏感性大小。结果表明,Cr-V系弹簧钢具有较小的脱碳敏感性,Si-Mn系弹簧钢的脱碳倾向较大。在850～1050℃温度范围内,60Si2MnA的脱碳最严重,60Si2CrVA次之,51CrV4、52CrMoV4的脱碳敏感性最小。弹簧钢的化学成分对其脱碳行为有重要影响。     

X80低温用高强度管线钢的工艺与组织性能试验

 随着管道向低温地区的延伸,对输送管线的低温性能提出了更高的要求,突破寒冷地区用高强度管线钢强韧性配合的瓶颈需要对现有管线钢材料的组织结构设计和TMCP工艺进行优化。为研究TMCP关键参数和复杂组织之间的关系规律从而指导实际轧制过程,采用Gleeble热模拟试验机通过改变冷却速度、终轧温度、终冷温度和驰豫时间,观察得到的不同组织并分析变化规律。结果表明,随冷却速度提高,多边形(准多边形)铁素体体积分数下降,贝氏体铁素体体积分数增加;提高终轧温度,晶粒粗化,但针状铁素体组织比例基本不变;提高终冷温度到550 ℃时,组织严重粗化,并伴随大量恶化低温韧性的大尺寸尖角状MA岛;增加驰豫时间,多边形铁素体晶粒尺寸及体积分数逐渐增大。结合性能研究结果,设计出X80低温管线钢组织为细小的准多边形铁素体＋粒状贝氏体＋少量贝氏体铁素体(QF+GB占90%以上)的组织,其中大角度晶界占比高于50%。最终工业化TMCP参数设定为终轧温度750 ℃+终冷温度480 ℃+冷速20 ℃/s,得到的产品具有优异的低温冲击韧性,满足了X80低温管线钢的综合性能要求。