張大征， 高秀華， 杜林秀， 王鴻軒

(1. 東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819； 2. 天津海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

由于陸上油氣資源日漸枯竭，目前油氣資源的開采正沿著由陸地向淺海以至深海的方向發(fā)展.隨著海上油氣資源的大力開發(fā)，海洋油氣輸送管道面臨著很大需求.目前海洋油氣輸送管道大都采用硬質(zhì)無縫鋼管，存在著撓性差、易腐蝕、接頭多、安裝鋪設(shè)難度大等缺點(diǎn)[1].相比之下，海洋柔性立管以其具有耐蝕、柔順、接頭少、易安裝鋪設(shè)等優(yōu)點(diǎn)正越來越廣泛地應(yīng)用在海洋油氣資源開發(fā)過程中[2-3].海洋柔性立管作為連接海上浮體與海底井口傳輸油氣的關(guān)鍵裝備，其結(jié)構(gòu)是由骨架層、密封層、鎧裝層、護(hù)套層組成的一種多層復(fù)壁結(jié)構(gòu)管道[4].海洋柔性立管在服役過程中面臨著高溫、高壓、波浪沖擊、環(huán)境腐蝕等嚴(yán)苛條件，故而要求海洋柔性立管需具有高強(qiáng)、耐蝕、抗氫致開裂等優(yōu)點(diǎn)，因此其核心部件鎧裝層材料通常由具有抗氫致開裂性能的高強(qiáng)鋼來充當(dāng)[5].為了降低立管自重、延長使用壽命，目前對海洋柔性立管鎧裝層高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度要求越來越高.

為了獲得高強(qiáng)度抗氫致開裂的海洋柔性立管用鋼，工業(yè)上采用連鑄+熱軋+冷軋+熱處理的工藝流程來生產(chǎn)柔性立管用鋼.隨著高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度不斷提高，其氫致開裂敏感性也越來越強(qiáng)[6]，為了降低柔性立管用鋼的氫致開裂敏感性，目前多采用調(diào)質(zhì)熱處理以同時獲得高強(qiáng)度和抗氫致開裂能力[7].然而調(diào)質(zhì)熱處理無法顯著細(xì)化顯微組織，同時提高強(qiáng)度和抗氫致開裂性能的能力有限.Liu等[8]在研究油套管API-5CT-C110的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性時發(fā)現(xiàn)，多級熱處理可以有效降低其硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性.張毅等[9]研究發(fā)現(xiàn)對高強(qiáng)度油井管125S采取多級熱處理有助于提高其抗氫致?lián)p傷能力.根據(jù)以上啟示，為了有效改善柔性立管用高強(qiáng)鋼的綜合性能，本文研究了多級熱處理方式對實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織、力學(xué)性能以及抗氫致開裂性能的影響，揭示了多級熱處理工藝對組織和性能改善的作用機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

綜合考慮實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能、冷加工性能、抗氫致開裂性能和耐蝕性能的要求，成分設(shè)計(jì)采用低C、低Mn，P，S并復(fù)合添加耐蝕元素Cr，Mo的方法.實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為C 0.07，Si 0.23，Mn 0.53，P<0.007，S<0.001，Al 0.02，Cr+Mo+Ni 2.69，Ti 0.017，Nb 0.045.采用真空感應(yīng)爐將實(shí)驗(yàn)鋼熔煉成鑄錠，隨后鍛造成100 mm厚的方坯.利用二輥可逆熱軋機(jī)將鋼坯熱軋至厚度為10 mm的熱軋板，之后采用四輥冷軋機(jī)將熱軋板軋制成4 mm厚的冷軋板.軋制過程結(jié)束后，對冷軋板分別進(jìn)行調(diào)質(zhì)和多級熱處理，為了獲得高強(qiáng)度的柔性立管用鋼(Rp0.2>700 MPa)，經(jīng)探索后選取了兩種熱處理工藝：其中調(diào)質(zhì)工藝為940 ℃×30 min+600 ℃×30 min，記為QT；多級熱處理工藝為940 ℃×30 min+600 ℃×30 min+920 ℃×20 min+580 ℃×30 min，記為QTQT.熱處理結(jié)束后，分別利用光學(xué)顯微鏡(optical microscope，OM)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織進(jìn)行觀察.顯微組織中的精細(xì)結(jié)構(gòu)和析出相的形態(tài)與成分則采用透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)進(jìn)行分析，晶界特征和內(nèi)核平均取向差(kernel average misorientation，KAM)值的分布則采用電子背散射衍射(electron back-scattered diffraction，EBSD)技術(shù)進(jìn)行表征和分析.利用拉伸試驗(yàn)機(jī)并依據(jù)國標(biāo)GB/T 228—2010對實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能進(jìn)行檢測.此外根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8650—2015對實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂性能進(jìn)行檢測，其腐蝕溶液為GB/T 8650—2015標(biāo)準(zhǔn)中的A溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% NaCl+0.5% CH3COOH+94.5% H2O)，實(shí)驗(yàn)時間為96 h且實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 多級熱處理對顯微組織的影響

圖1顯示了經(jīng)體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后不同熱處理工藝下的實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織OM圖和SEM圖，其中圖1a和1c為調(diào)質(zhì)熱處理(QT)試樣，圖1b和1d為多級熱處理(QTQT)試樣.由圖1可知，實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)過兩種熱處理后，顯微組織均為回火馬氏體，然而經(jīng)過多級熱處理后，實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織發(fā)生了顯著的細(xì)化，晶粒尺寸顯著減小.

不同熱處理工藝下的實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2顯示兩種熱處理工藝獲得的馬氏體組織均保持著板條形態(tài)，且組織中含有大量的位錯和析出粒子.通過對比兩種熱處理工藝下的顯微組織TEM圖，可以發(fā)現(xiàn)QTQT處理后的回火馬氏體(圖2c)板條寬度相對于QT處理(圖2a)明顯變小.通過Image Pro Plus軟件測量發(fā)現(xiàn)QT處理后馬氏體板條寬度約為0.32 μm，而QTQT處理后的板條寬度約為0.26 μm，說明經(jīng)過多級熱處理后，馬氏體板條明顯細(xì)化.圖2b顯示經(jīng)QT處理后，回火馬氏體的板條界面處有長條狀的粗大析出相產(chǎn)生，通過能譜分析可知該粗大析出相為鈮、鉻和鉬的復(fù)合析出(圖2e).經(jīng)過QTQT處理后，組織中亦有大量析出相出現(xiàn)，析出相的尺寸和形態(tài)如圖2d所示，可知多級熱處理后析出物多呈細(xì)小顆粒狀分布在基體中.通過對析出相進(jìn)行能譜分析(圖2f)，可知該細(xì)小的析出粒子為鈮、鈦的復(fù)合析出.多級熱處理后析出相更加細(xì)小彌散，呈球形顆粒狀分布于基體中.細(xì)小彌散分布的析出粒子一方面可以有效阻礙位錯的運(yùn)動，起到良好的析出強(qiáng)化效果；另一方面可以增加鋼中氫陷阱的數(shù)量，提高氫在鋼中的固溶度，使氫在組織中的分布更加分散，減少氫的偏聚[10].

通過EBSD技術(shù)對實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織中的晶界分布特征進(jìn)行了表征，晶界分布特征與大小角度晶界統(tǒng)計(jì)直方圖如圖3所示，其中晶界分布特征(圖3a，3b)圖中紅色線條代表小角度晶界(2°～15°)，而藍(lán)色線條則代表大角度晶界(≥15°).從晶界分布特征圖中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多級熱處理后實(shí)驗(yàn)鋼單位體積內(nèi)的晶界數(shù)量明顯增大，晶界分布更密集，表明多級熱處理后顯微組織發(fā)生明顯細(xì)化導(dǎo)致晶界密度增大.通過對兩種熱處理工藝下顯微組織中的大小角度晶界進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，經(jīng)過QT和QTQT處理后，實(shí)驗(yàn)鋼組織中大角度晶界所占比例分別為30.4%和33.7%.經(jīng)過多級熱處理后組織中的大角度晶界所占比例的上升表明了多級熱處理可以有效提高大角度晶界的含量.鋼中的晶界也是有效的氫陷阱，組織的細(xì)化、晶界含量的增多既可以阻礙位錯的運(yùn)動、促進(jìn)位錯塞積以提高強(qiáng)化效果，又可以提供更多的氫陷阱位置，改善氫在鋼中的分布狀態(tài)，降低氫致開裂的敏感性.實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織的KAM圖如圖4所示，KAM值越高表明該處的殘余應(yīng)力或亞結(jié)構(gòu)越多[11].由圖4可知，經(jīng)過多級熱處理后組織中的高KAM值區(qū)域更多，而且分布更均勻，表明多級熱處理后的組織具有更多均勻的亞結(jié)構(gòu)，這對變形過程中位錯的運(yùn)動起到良好的阻礙作用，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度的提升.

2.2 多級熱處理對力學(xué)性能的影響

不同熱處理工藝下實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能如圖5所示.經(jīng)過多級熱處理后實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度升高，屈服強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的782 MPa上升到845 MPa，抗拉強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的887 MPa上升到922 MPa，斷后延伸率則有所下降，由14.9%下降至11.2%.由于多級熱處理后組織明顯細(xì)化，根據(jù)Hall-Petch公式可知，隨著晶粒尺寸的減小，其屈服強(qiáng)度會顯著升高.加之多級熱處理后析出相形態(tài)由調(diào)質(zhì)處理的粗大長條狀變?yōu)榧?xì)小彌散顆粒狀，有效地提高了變形過程中析出相對位錯運(yùn)動的阻礙能力，促進(jìn)拉伸變形過程中位錯的塞積和纏結(jié)[12]，因此多級熱處理有效提高了實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度.

2.3 多級熱處理對抗氫致開裂性能的影響

對調(diào)質(zhì)熱處理和多級熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼分別進(jìn)行了氫致開裂實(shí)驗(yàn)檢測，并在金相顯微鏡下對試樣剖面的氫致裂紋進(jìn)行了觀察.根據(jù)國標(biāo)GB/T 8650—2015對氫致開裂試樣剖面上的裂紋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算裂紋長度率(crack length ratio，CLR)、裂紋厚度率(crack thickness ratio，CTR)、裂紋敏感率(crack sensitivity ratio，CSR)，其計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

式中：a為裂紋長度(mm)；b為裂紋寬度(mm)；W為試樣長度(mm)；T為試樣寬度(mm).根據(jù)API規(guī)定，當(dāng)CLR<15%，CTR<3%， CSR<1.5%時，材料對氫致開裂不敏感.

實(shí)驗(yàn)后氫致裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，氫致裂紋形貌如圖6所示.圖6a顯示出調(diào)質(zhì)處理后的實(shí)驗(yàn)鋼剖面上含有較多的氫致裂紋，氫致裂紋多呈臺階狀分布在試樣內(nèi)部，說明調(diào)質(zhì)處理后實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂能力較差.而經(jīng)過多級熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼則沒有氫致裂紋的產(chǎn)生(如圖6b所示)，說明多級熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼具有良好的抗氫致開裂性能.據(jù)表1所示的氫致裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，多級熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼其裂紋長度率(CLR)、裂紋厚度率(CTR)和裂紋敏感率(CSR)均低于調(diào)質(zhì)熱處理，多級熱處理大大改善了實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂能力.當(dāng)油氣環(huán)境中的氫進(jìn)入鋼中后，一部分氫固溶在晶體點(diǎn)陣之中，而其余的氫則被鋼中的氫陷阱所捕獲.氫陷阱位置處的氫原子持續(xù)聚集并形成氫分子，進(jìn)而在該處產(chǎn)生氫壓，當(dāng)氫壓超過臨界值時，氫致裂紋便在該處萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致失效.鋼中的氫陷阱一般分為可逆氫陷阱和不可逆氫陷阱兩類，其中位錯、晶界、空位為可逆氫陷阱，而析出相則為不可逆氫陷阱[13].可逆氫陷阱既可以捕獲氫也可以釋放氫，而不可逆氫陷阱與氫的結(jié)合能力很強(qiáng)，一旦捕獲氫就不會釋放[14].Depover等[15]和Cheng等[16]的研究表明，Nb，Ti析出相和Cr，Mo析出相均為不可逆氫陷阱，且Nb，Ti析出相與氫的結(jié)合能力更強(qiáng).調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織比較粗大，析出相呈粗大的長條狀分布，說明組織中的氫陷阱數(shù)量較少，氫極易在粗大的析出相周圍持續(xù)聚集，形成較高的氫壓，促使氫致裂紋在粗大析出相處萌生和擴(kuò)展.一旦裂紋形成，組織中的氫濃度差便會驅(qū)使更多的氫擴(kuò)散至裂紋尖端，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展.通過多級熱處理后，顯微組織顯著細(xì)化，晶界數(shù)量增加，析出相由粗大變得細(xì)小彌散，因此使鋼中的氫陷阱數(shù)量發(fā)生了顯著的上升.此時，進(jìn)入鋼中的氫更加趨于分散性地分布于各氫陷阱位置處，減小了氫在氫陷阱處形成的氫壓，抑制了氫致裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而顯著降低了顯微組織氫致開裂敏感性.因此多級熱處理有效提高了實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂性能.

表1 氫致開裂裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 論

1)通過多級熱處理，顯著細(xì)化了柔性立管用高強(qiáng)鋼的顯微組織，回火馬氏體板條發(fā)生顯著細(xì)化，析出相由粗大的長條狀變?yōu)榧?xì)小彌散分布的顆粒狀，組織中的大角度晶界含量明顯升高，對變形過程中位錯的運(yùn)動起到了有效的阻礙作用.

2)相對調(diào)質(zhì)熱處理而言，多級熱處理有效提高了柔性立管用高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度，使得實(shí)驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的782 MPa上升到845 MPa，抗拉強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的887 MPa上升到922 MPa.

3)通過多級熱處理顯著細(xì)化了組織，增加了組織中氫陷阱的數(shù)量，改善了氫陷阱的分布狀態(tài)，提高了顯微組織的溶氫能力，在提高強(qiáng)度的同時顯著改善了柔性立管用高強(qiáng)鋼的抗氫致開裂能力.