抗硫管铸坯凝固组织、点状偏析及其与带状组织相关性

With the continuous increase of the energy requirement, the development of sulfide stress corrosion cracking (SSC) resistant tube steel has been an important issue in the field of advanced steel materials. SCC and hydrogen induced crack (HIC) are regarded as the main reasons for the corrosion damage of tubes under hydrogenating environment. It is widely accepted the banded structure, resulted from the spot segregation, is the critical factor influencing this SCC or HIC behavior. In this research, with the employment of theoretical calculation, physical experiment and numerical simulation, the mechanism on the formation of spot segregation in SSC-resistant tube steel will be revealed, and the criterion for the condition under which spot segregation occurs will be proposed. The heredity of the morphology, dimension, location, metallographic structure and solute segregation ratio from spot segregation to banded structure during hot work process will be illustrated, and the critical parameters for the prevention on the occurrence of banded structure in SSC-resistant tube steel will be put forward. The dominant mechanism on SCC or HIC induced by spot segregation will be interpreted. The rare earth element will be added to the blooms of SSC-resistant tube steel to refine the solidification structure. The relationship between the solidification structure and the spot segregation will be further discussed. The proposed project is an exploratory research on key fundamental scientific issues in the development of high quality special steel. It is strongly expected that the achievement will be the theoretical basis for solving the common problem of SSC-resistant tube steel.

随着能源需求量的持续增加，抗硫管钢已成为先进钢铁材料领域的重点发展钢种之一。现有研究表明，硫化物应力腐蚀开裂（SSC）和氢致裂纹（HIC）是引起抗硫管腐蚀破坏的主要形式，而由点状偏析引起的带状组织缺陷是导致SCC或HIC的关键因素。本项目拟结合理论计算、物理实验和数值模拟等手段分析油井管铸坯点状偏析的形成机制，建立凝固过程点状偏析形成的临界判据；通过观察热加工过程中点状偏析向带状组织的演变规律分析二者在形貌、尺寸、位置、金相组织和元素偏析率等方面的遗传关系，提出控制带状组织形成的临界参数。通过稀土变质剂细化铸坯凝固组织探讨铸态组织对点状偏析和带状组织的影响。本项目是对国内高品质特殊钢研发领域关键基础科学问题的探索性研究，相关成果可为解决抗硫管钢的共性缺陷问题提供理论和工艺指导。

高强度石油套管作为高钢级产品，常用于地质环境较为恶劣、且含有H2S等腐蚀性介质的深井和超深井中，是保证石油、天然气正常开采和运行的关键。钢材中难以消除的粗大带状组织往往是导致套管在服役过程中发生硫化物应力腐蚀开裂的主要原因。研究揭示了铸态组织与轧管产品带状缺陷的关联性，提出通过控制连铸过程中点状偏析，是减轻后续轧材带状缺陷组织是提升石油套管服役寿命的有效手段。.基于C110石油套管钢，分析研究了铸坯点状偏析特征及其与后续轧材粗大带状组织的联系。结果指出，点状偏析仅存在于铸坯中心等轴晶区和交叉树枝晶区，尺寸多分布在500μm~2mm，点状偏析内部往往存在细小的枝晶结构，并伴随有严重的C、Mn、Cr和Mo等合金元素的偏析；研究表明，铸坯中不同偏析类型在轧材中造成的带状组织组织宽度也明显不同，其中点状偏析是管材中难以消除的大尺度带状组织的源头。对于管材中存在的带状缺陷组织，追踪观察了其在后续热处理过程中的演变行为。热轧管中的带状组织主要由珠光体和少量贝氏体组成，淬火后，C元素扩散明显但带状组织的光镜形貌变化不大，其金相组织则转变为合金元素较高的马氏体；经回火处理后，带状组织最终演变为碳化物带。.针对由点状偏析引起的粗大带状组织，结合实际浇铸条件，通过优化连铸电磁搅拌工艺等，研究了铸坯凝固组织差异对点状偏析及后续带状组织的影响。结果表明，点状偏析与铸坯的等轴晶区域存在密切的相关性，随着铸坯中心等轴晶区的缩小，点状偏析数量和尺寸也不断减小。中心为柱状晶凝固时，铸坯基本不存在点状偏析；轧材中粗大的带状组织缺陷同样存在相似的规律，随着中心等轴晶区的缩小，其数量和尺寸也不断减小。此外，实验研究揭示了稀土Ce变质处理对C110级抗硫管铸锭凝固组织的细化效果，可望进一步减轻铸坯中点状偏析缺陷，通过提升铸态组织均质性、进一步提高C110级石油套管服役寿命。.综合认为，通过铸态组织调控提升后续钢材组织均匀性和服役性能在钢材生产中具有一定的普适性。