A333 6级低碳钢管道 - 微观组织和硬度特性

M. N. Ervina Efzan*， S. Kesahvanveraragu, J. Emerson

1.0介绍

1.1海底管线材质

海洋平台中的管道是由各种不同类型的材料构成的。材料的选择取决于某些因素，如成本、功能要求、压力和温度的操作条件、腐蚀率等[1-2]。由于品种有管道的海上平台，材料选择和这些考虑是非常必需的。在近海工业，金属是可什锦成铁和非铁金属[1-3]的高度使用的材料。含有铁（Fe）作为其首要的组合物的金属被称为黑色金属，而含其它元素金属被称为非铁金属[4-5]。铸铁和钢属于铁类金属类，而有色金属是包含性的铝（Al），铜（Cu），锡（Sn）和硅（Si）[3-5]。根据马姆杜[6]，黑色金属是本大多使用的金属构建海上平台管道由于成本效益和承受能力
操作条件。

1.2普通碳钢

碳素钢是由碳为主要合金元素的材料。碳素钢制成的铁（Fe），碳（C），磷（P），锰（Mn），硫（S）和硅（Si）[7]组成。目前在全球市场，碳钢正在制造且大量用于重型工业，特别是海上运输系统和采油[8]。这是因为，碳钢具有高强度，良好的焊接性，耐高温性，良好的表面保护于外部环境和价格比其他合金钢如低合金钢和不锈钢[3-4]。

碳钢可以分为基于其碳含量（印度理工学院，2010年）低，中，高碳钢。低碳钢，也称为低碳钢，并且通常包含小于0.3％的碳。同时，中，高碳钢具有0.3的碳含量 - 分别0.75％[4] [9] - 0.45％和0.45。管道行业尤其是离岸管道可以不使用中，高碳钢由于其脆性和可焊性降低[10]的电阻差。因此，低碳钢是在间设计者，制造商和监管海上管线优选的。它涵盖高温容器，换热器，压缩机和输送管线[9] [10]的管道网络。在海上平台处理管线的低碳钢的利用率的详细资料列于表1从表1，低碳钢类型API 5L X52级具有455兆帕的拉伸强度最高，而类型API 5L B级具有最低的413兆帕的抗张强度。

表1：根据规范和标准，拉伸强度，材料组合物和应用在海上平台处理低碳钢的类型：

没有。	规范和标准 (ASTM / API)	拉伸 强度 （兆帕）	组成 的材料	应用程序 海上平台	参考
1	A106 B级 （无缝管）	415	ç<= 0.30 Mn < = 1.06 P <= 0.035 小号<= 0.035	1.海水系统 2.注水 系统 3.采出水 系统 4.便携式水 系统 5.干燥的燃料和气体 系统 6.消防水系统 7.乙二醇和 注甲醇 系统 8.惰性气体/工厂空气 管道	[2] [11] [12]
2	API 5L B级 （焊管）	413	ç<= 0.28 Mn < = 1.20 P <= 0.030 小号<= 0.030		[2] [11] [13]
3	A671级CC60 （焊管）	415	ç<= 0.21 的Mn <= 0.98 P <= 0.035 小号<= 0.035		[2] [11] [14]
4	API 5L X52级 （无缝管）	455	ç<= 0.28 的Mn <= 1.40 P <= 0.030 小号<= 0.030		[2] [11] [13]
五	A333 6级 （无缝管）	415	ç<= 0.30 Mn < = 1.06 P <= 0.025 小号<= 0.025	1.火炬系统 2.海水系统 3.消防水系统 4.排水和污水 系统	[2] [11] [15]

1.3 A333 6级低碳钢管

根据表1的综合数据，选择A333 6级材料进行微观结构表征分析

该材料的性能和机械性能。一般来说，A333 6级管道被称为低温管，因为它可能承受

在温度低达-45℃[15]的冲击韧性。

图1显示了A333 6级的低碳钢管的样品。

2.0方法

2.1微观组织

根据Sharmila [17]，所述放大图像是必不可少的调查形态，微结构和各种功能，包括谷物，相位和嵌入的粒子形状。目前，有各种显微方法广泛用于研究领域，如光学显微镜（OM），扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。根据格拉布[18]中，有诸如具有高的分辨率，快速数据采集捕获的图像使用光学显微镜的各种优点，并提供更多的定量结果。因此，使用光学显微镜法来表征A333 6级材料的微观结构。

光学显微镜需要样品表面平整、光滑、无划痕。
但是，它不需要是任何特定的形状，例如矩形、圆形或其他几何形状。因此，在通过光学显微镜进行微观结构表征之前，需要进行适当的样品制备。将A333 6级低碳钢管样剪成1cm长，将附在试样上的废金属片磨去。样品切割后，对表面进行研磨，去除样品表面的粗糙和划痕。此外,两个不同的抛光解决方案,比如聚晶金刚石(3µm 1µm)和非晶的硅胶均匀倒在测试锅来确保一个有效的抛光过程。抛光完成后，得到一个反射表面。

蚀刻是样品制备的最后一步，然后通过光学显微镜观察微观结构。蚀刻是指物质[17]原子层的物理和化学剥离。Niaz[19]认为，nital是低碳钢[20]的最佳蚀刻液。另外，蚀刻时间是保证样品表面被蚀刻到准确水平的重要因素。一般情况下，低碳钢需要使用nital进行刻蚀，刻蚀时间为几秒到几分钟。A333为6级低碳钢试样，蚀刻3 min，以保证微结构的精确显示。图2为A333 6级低碳钢试样表面的刻蚀过程。

图2：（1）蚀刻工序;（2）蚀刻和清洗工艺后

后的样品制备已经完成精确，通过光学显微镜下三种不同的光学放大倍数，即10X，20X和50X观察到的材料表面的微结构。

2.2维氏硬度试验

将制备的试样安装在测试仪维克斯装置的下微观视图的砧。然后为10kgf负荷施加和随后压制金刚石棱锥的进入样品的平坦表面进行15秒的持续时间。停留时间结束后，通过显微镜观察到的视图的凹痕。的凹痕需要的大小以通过测量两条对角线[22]进行计算。

3.0结果与讨论

3.1微观结构表征

图3：下10X放大率A333 6级低碳钢的微观结构。珠光体和铁素体层被标记，以区分相结构。

从光学显微镜的结果，下10X，20X和50X的放大倍数样品表面的微结构分别在图3分别，4和5所示。

根据Scott[23]，低碳钢有两种主要成分，珠光体和铁素体。珠光体是由铁素体和碳化铁颗粒的精细混合而成的微结构中的暗区。同时，根据Koo[24]，在铁素体晶界发现了珠光体晶粒。另一方面，较亮的区域被称为铁氧体，并且铁氧体颗粒之间的晶界清晰可见。一般情况下，含碳量为0.16%的低碳由体积分数、0.79%的先共析铁素体和0.21%的珠光体组成。图3、图4和图5分别标记了珠光体层和铁氧体层。此外，在10X和20X倍放大下，铁素体晶粒之间的晶粒边界清晰。图6显示了低碳钢中铁氧体的形状，证明了关于铁氧体晶粒边界的说法是正确的。

图6：在低碳钢晶界他形[23]

分析的材料，尤其是钢或合金的微观结构的重要性，是通过观察在材料本身的粒径和量，以确定所述材料的特性。基于霍尔一佩奇关系，晶粒尺寸的减小即兴钢[25]的强度。类似地，从通过光学显微镜获得的结果，低碳钢类型A333级6由铁素体晶界的更小的尺寸构成。

3.2维氏硬度测试

据来自第2.2节所产生的数据，维氏硬度试验的结果取决于所施加的负荷，停留时间和缩进直径。因此，对于该试验中，为10kgf施加15秒至缩进对A333 6级的低碳钢试样。重复对试样，其中包括4个边缘和样品的中点的5个不同区域中的测试。一旦压头在菱形棱锥的形式在样品制成的坑维氏，填料线分别调整为对角线的两个边缘，并且这些值被记录在装置中。然后，结果被显示在HV，其示出了通过维氏硬度计所提供的硬度水平方面。所获得的结果包括用于5个点对角线直径和硬度值，而对于样品的平均HV是体现在表2中。

表2：样品A333 6级低碳钢的硬度值

低碳钢：A333 6级 (20毫米x10毫米x2毫米) 矩形标本
点	直径1（μm）的	直径2（μm）的	维氏硬度（HV）
1	330.075	332.100	169.131
2	336.960	340.605	161.535
3	336.555	333.315	165.268
4	329.670	326.835	172.065
五	328.455	333.720	169.131
平均维氏硬度值			166.826

通过压痕的通过光学显微镜的微观结构得到的结果进行了验证。图7分别描绘了点1,3和试样5中的菱形压痕的微结构的样品。

这表明，有硬度值（HV）的结果之间存在细微的差别。虽然试验是在5个不同的点进行，得到的硬度值应该是相同的，由于相同的测试材料。根据田中和神谷[22]，表面粗糙度影响硬度值的测量。虽然试样表面被研磨均匀，有在结果的准确性恶化。然而，根据塞缪尔[26]，低碳钢（0.1％的碳含量）的硬度水平是140HV。同时，对于A333 6级的低碳钢显示所获得的结果，该硬度值约为166.826HV。

4.0结论

综上所述，A333系6级低碳钢组织晶粒尺寸较小，珠光体含量较少。这一信息证实了该材料的高强度和延性。同时，该材料的硬度平均值为166.836HV，符合油气管道硬度值范围，最大值为250HV。由于A333系6级低碳钢具有合适的晶体结构和硬度，适合作为海洋平台管道材料。
此外，本文的结果有助于对海底管线的材料进一步研究。

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