【摘 要】
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随着国民经济发展对油气资源需求的不断攀升,油气管道内部湿H2S等酸性介质导致的管线钢氢致开裂（HIC,Hydrogen Induced Cracking）问题愈发凸显。本文针对钢中诱发氢致裂纹夹杂物的临界尺寸进行了理论计算,并据此利用Ti/Mg复合脱氧对管线钢中的夹杂物进行改性,结合有限元、第一性原理对氢原子在不同夹杂物与基体界面的聚集行为进行了分析,并采用电化学氢渗透、氢热脱附、原位氢渗逸出装置
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随着国民经济发展对油气资源需求的不断攀升,油气管道内部湿H2S等酸性介质导致的管线钢氢致开裂（HIC,Hydrogen Induced Cracking）问题愈发凸显。本文针对钢中诱发氢致裂纹夹杂物的临界尺寸进行了理论计算,并据此利用Ti/Mg复合脱氧对管线钢中的夹杂物进行改性,结合有限元、第一性原理对氢原子在不同夹杂物与基体界面的聚集行为进行了分析,并采用电化学氢渗透、氢热脱附、原位氢渗逸出装置、原位扫描开尔文原子力显微镜等手段系统研究了钢中夹杂物与氢的相互作用机制及对HIC敏感性的影响机理,主要研究进展及结论如下:提出了钢中诱发氢致裂纹的夹杂物是具有临界尺寸的,并基于溶质原子浓度与应力的关系模型,对钢中典型夹杂物诱发氢致裂纹的临界尺寸进行了理论推导。结果表明,氧化物夹杂诱发氢致裂纹的临界尺寸介于0.14～0.42μm之间,而Mn S具有更大的临界尺寸（2.52～2.6μm）;钢中氧化物夹杂相对Mn S表现出更强的氢捕获能力和更高的界面临界氢浓度。基于上述理论计算结果,采用不同Ti/Mg添加比复合脱氧方法,对钢中夹杂物进行改性处理,对比分析试验钢中夹杂物成分、尺寸、分布和复合形态,以及夹杂物对钢中氢扩散和HIC敏感性之间的内在关联发现:Ti/Mg添加比为4:1时,更多的Ti添加有助于形成更多的原生Ti氧化物夹杂,而Mg的添加可进一步降低钢液中溶氧量从而抑制夹杂物的长大。同时,钢液中Mn S倾向于在氧化物夹杂附近析出并包裹在氧化物夹杂周围形成核壳结构。从而实现了钢中Mn S的细化和小尺寸复合夹杂物数量的增多,对氢在钢中的扩散行为起到了明显的阻碍作用,降低了可逆氢原子在钢中的聚集,增大了氧化物夹杂的氢致裂纹容限尺寸,进而改善了管线钢的抗HIC性能。研究夹杂物影响微区氢扩散行为结果表明,氢在钢中的扩散行为具有阶段性,氢进入到钢中后首先在基体中均匀分布,然后才会逐渐被夹杂物捕获并在夹杂物周边聚集。氢在单个夹杂物周边的聚集也具有倾向性,夹杂物周围的残余应力集中区才是氢在钢中扩散和聚集的主要部位,也是氢向钢中扩散和逸出钢表面的最重要通道。大尺寸的长条状复合夹杂物其氧化物周边通常存在较大的应力集中,该区域会促进氢原子的局部聚集,易于诱发氢致裂纹。利用氢脱附状态方程并结合氢热脱附实验发现,Ti/Mg复合脱氧改性试验钢中各类夹杂物对氢原子均存在较强的结合能力,相较钢中氧化物夹杂物而言,Mn S对氢原子的结合力较弱,其氢脱附激活能约为71.6 k J/mol,而钢中典型氧化物夹杂的氢脱附激活能在79～86.5k J/mol范围内。采用Ti/Mg复合脱氧改性钢中夹杂物时,钢中氧化物和硫化物夹杂捕获的氢原子数量占据钢中总捕获氢量的51%,钢中总不可逆氢占比则达到了58.8%,大量细小的夹杂物有效降低了钢中可逆氢含量,提高了材料抗HIC能力。
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