X70鋼和X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的氫脆敏感性

楊耀東，魯曠達(dá)，曹文海，馬如飛，張 雷，路民旭

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094；2.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083）

X70鋼和X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的氫脆敏感性

楊耀東1，魯曠達(dá)2，曹文海2，馬如飛2，張 雷2，路民旭2

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094；2.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083）

采用動(dòng)態(tài)充氫的試驗(yàn)方法，研究X70，X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的氫脆敏感性，即在對(duì)X70鋼和X80鋼試樣施加過(guò)負(fù)陰極保護(hù)電位的同時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著陰極保護(hù)電位變負(fù)，X70鋼和X80鋼的氫脆敏感性均有所增強(qiáng)，在相同的陰極保護(hù)電位下，X80鋼的氫脆風(fēng)險(xiǎn)大于X70鋼。

X70鋼；X80鋼；陰極極化；慢應(yīng)變速率試驗(yàn)；氫脆

高強(qiáng)度管線鋼的開(kāi)發(fā)和使用不僅可以在不影響輸氣安全的前提下減少壁厚，從而實(shí)現(xiàn)油氣管道的高壓高效輸送，并且能夠降低油氣管線的成本。高壓輸送采用高鋼級(jí)別管材是石油天然氣管道發(fā)展的重要趨勢(shì)［1-2］。在油氣輸運(yùn)管道中，常采用陰極保護(hù)來(lái)抑制鋼材的外腐蝕。然而，陰極保護(hù)電位過(guò)負(fù)造成的鋼材“過(guò)保護(hù)”會(huì)導(dǎo)致陰極過(guò)量析氫，容易產(chǎn)生氫致開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

鋼的強(qiáng)度級(jí)別越高，其氫脆敏感性也越高。目前，中、低強(qiáng)度鋼材的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)已經(jīng)有了較為豐富的實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范鋼材陰極保護(hù)工程實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)也較為詳盡。但是，對(duì)于屈服強(qiáng)度＞550 MPa的高強(qiáng)度鋼材，其氫脆敏感性與低強(qiáng)度鋼相比將有較大提高。因此，高強(qiáng)管線鋼陰極保護(hù)參數(shù)的設(shè)定不僅要能夠抑制其陽(yáng)極溶解速率，更要避免其氫脆斷裂。但是，針對(duì)高強(qiáng)鋼在陰極保護(hù)條件下氫脆敏感性的基礎(chǔ)研究目前還比較缺乏，其最大陰極保護(hù)電位目前仍不明確［3］。

英國(guó)C.BATT［4］研究認(rèn)為，700 MPa的Welddox700鋼和900 MPa的900鋼在天然海水中的最佳保護(hù)電位為-0.77 V（vs.SCE，下同），在滅菌海水中為-0.79 V，即在該電位下鋼材腐蝕速率降至0.001 mm/a以下，且不會(huì)引起氫脆。法國(guó)的L. Coudreuse［5］則認(rèn)為將保護(hù)電位從-1.05 V提高到-0.85 V，材料發(fā)生氫脆的影響可以大大降低。美國(guó)根據(jù)對(duì)在役高強(qiáng)鋼的調(diào)查結(jié)果認(rèn)為，屈服強(qiáng)度大于700 MPa鋼的電位負(fù)于-0.95 V即會(huì)引起氫脆，屈服強(qiáng)度大于800 MPa的鋼，電位負(fù)于-0.80 V即可引起氫脆［6］。邱開(kāi)元、王海江［7-8］等研究了陰極極化電位對(duì)16Mn鋼和12Cr Ni3Mo V鋼的氫脆敏感性影響，結(jié)果表明，16Mn鋼在保護(hù)電位負(fù)于-0.90 V時(shí)，斷面收縮率突然減小，氫脆敏感性急劇增強(qiáng)，12Cr Ni3MoV鋼在保護(hù)電位-1 200 mV時(shí)短裂紋擴(kuò)展加速，氫脆敏感性增強(qiáng)。楊兆艷［9］等研究了陰極極化對(duì)907鋼在海水中氫脆敏感性的影響，表明，當(dāng)電位負(fù)于-1.06 V時(shí)，907鋼的脆化系數(shù)迅速增大；當(dāng)電位負(fù)于-1.11 V時(shí)，脆化系數(shù)進(jìn)入脆斷區(qū)。

本工作通過(guò)X70鋼和X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中進(jìn)行的陰極極化和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，研究鋼的力學(xué)性能變化和慢拉伸斷口變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算管線鋼的斷面收縮率，獲得兩種管線鋼的氫脆敏感性差異。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

以X70鋼和X80鋼為試驗(yàn)材料，其金相組織如圖1所示。X70鋼的金相組織為鐵素體+帶狀珠光體，其中白色組織為鐵素體，黑色組織為珠光體。X80的金相組織為鐵素體+珠光體，組織分布較X70鋼更均勻，晶粒較X70更細(xì)，珠光體彌散分布。

圖1 試驗(yàn)用鋼的金相組織Fig.1 Microstructure of the tested steels

1.2 試驗(yàn)溶液及化學(xué)成分

試驗(yàn)溶液為江西鷹潭土壤模擬溶液，其化學(xué)成分如表1所示，溶液由去離子水和分析純?cè)噭┡渲啤?/p>

表1 試驗(yàn)溶液的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the experimental solution g·L-1

1.3 慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

慢拉伸試驗(yàn)裝置與試樣尺寸如圖2所示。拉伸取樣垂直于鋼板的軋制方向，即橫向取樣，樣品為棒材。先用恒電位儀對(duì)試樣預(yù)充氫24 h，再將試樣、介質(zhì)盒、三電極體系整體移至慢拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)充氫，即在拉伸的同時(shí)進(jìn)行充氫，慢拉伸應(yīng)變速率取1×10-6/s。

2 結(jié)果與討論

圖3為X70鋼和X80鋼在空氣中，施加不同陰極保護(hù)電位模擬溶液中的SSRT曲線。

圖2 慢拉伸試驗(yàn)裝置與試樣尺寸Fig.2 SSRT device and specimen size

圖3 不同管線鋼在不同條件下的慢拉伸曲線Fig.3 SSRT curves of X70 and X80 steel under different conditions

由圖3可見(jiàn)，對(duì)于同種材料，隨著陰極保護(hù)電位的負(fù)移，拉斷時(shí)的應(yīng)變量明顯減小。即隨著保護(hù)電位變負(fù)，材料出現(xiàn)了明顯的塑性損失。這一結(jié)果與程遠(yuǎn)、李超等［10-11］的研究結(jié)果一致，其研究表明，對(duì)于南雄土壤模擬溶液中的X80鋼和酸性土壤模擬溶液中的X100鋼，當(dāng)陰極電位過(guò)負(fù)時(shí)，氫脆機(jī)制起主要作用，且隨著陰極電位負(fù)移，材料氫脆敏感性顯著提高。

圖4～圖6為X70和X80鋼在不同條件下慢拉伸后的斷口宏觀形貌。

圖4 空氣中X70、X80鋼的慢拉伸斷口形貌Fig.4 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel in air

圖5 -0.9 V（vs.SCE）下X70、X80鋼的慢拉伸斷口形貌Fig.5 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel at-0.9 V（vs.SCE）

圖6 -1.1 V（vs.SCE）下X70、X80鋼的慢拉伸斷口形貌Fig.6 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel at-1.1 V（vs.SCE）

由圖4～6可見(jiàn)，在空氣中慢拉伸時(shí)，兩種管線鋼的斷口均為韌性斷口，有明顯的頸縮與剪切唇。在-0.9 V（vs.SCE）下，X70鋼仍然為韌性斷口，有明顯頸縮與剪切唇；而X80鋼兼具韌性斷口與脆性斷口的特征，頸縮量有所減小。在-1.1 V（vs. SCE）下，X70鋼仍然為韌性斷口，有明顯頸縮與剪切唇；X80為明顯的脆性斷口，頸縮量很小。該現(xiàn)象與趙穎，張士歡等對(duì)X70和X80管線鋼在慢拉伸試驗(yàn)中的斷口形貌的研究結(jié)果一致［12-13］。

X80鋼出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)椋?dāng)對(duì)拉伸試樣進(jìn)行較負(fù)的陰極保護(hù)時(shí)，試樣表面會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，產(chǎn)生的氫有一部分進(jìn)入金屬。在低速變形時(shí)，氫在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下向高的三向拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散聚集，當(dāng)氫含量富集到某一臨界值時(shí)，裂紋會(huì)過(guò)早地形核和擴(kuò)展，從而使材料的塑性下降，表現(xiàn)為試樣的斷面收縮率減?。?4］。而X70鋼的強(qiáng)度較低，相應(yīng)地，氫脆敏感性較低，氫所引起的塑性損失較小。

計(jì)算不同管線鋼在不同條件下慢拉伸后的斷面收縮率：

式中：S0為拉伸前試樣截面積，S為拉伸后試樣截面積。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著保護(hù)電位變負(fù)，X70鋼的斷面收縮率變化不大，X80鋼的斷面收縮率有較大變化。這說(shuō)明，隨著電位變負(fù)，X70鋼的塑性損失小于X80鋼。

通?？梢杂脷浯嗝舾邢禂?shù)FH對(duì)材料的氫脆敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)［15］，定義FH如下：

式中：ψ0為試樣干燥空氣中的斷面收縮率；ψ為試樣在試驗(yàn)條件下的斷面收縮率。以氫脆敏感系數(shù)FH作為判據(jù)，認(rèn)為當(dāng)FH＞35%，視為脆斷區(qū)，材料在該條件下肯定會(huì)發(fā)生氫脆；25%≤FH≤35%，材料在該條件下有氫脆潛在危險(xiǎn)；FH＜25%，視為安全區(qū)，材料在該條件下不會(huì)發(fā)生氫脆。計(jì)算2種鋼在不同電位下的氫脆敏感系數(shù)，如圖8所示。

圖7 兩種管線鋼在不同條件下慢拉伸后的斷面收縮率Fig.7 Percentage reduction of area of two kinds of steel under different conditions

圖8 2種鋼在不同電位下的氫脆敏感系數(shù)Fig.8 Hydrogen embrittlement susceptibility coefficients of two kinds of steel at different potentials

圖8 結(jié)果表明，在同一電位條件下，X80鋼的氫脆敏感系數(shù)明顯高于X70鋼；同一種管線鋼隨著陰保電位變負(fù)，氫脆敏感系數(shù)升高；對(duì)于材料在服役環(huán)境中的安全性，可以以氫脆敏感系數(shù)FH來(lái)作為判據(jù)之一，如圖中所示-1.1 V保護(hù)下的X80鋼的氫脆敏感系數(shù)處在25%～35%之間，說(shuō)明材料在該條件下有氫脆潛在危險(xiǎn)。-0.9 V保護(hù)電位下的X80鋼，X70鋼和-1.1 V保護(hù)下的X70鋼的氫脆敏感系數(shù)＜25%，氫脆風(fēng)險(xiǎn)小，尤其是X70鋼，氫脆敏感系數(shù)小于X80鋼，氫脆風(fēng)險(xiǎn)較小。

3 結(jié)論

（1）X80鋼隨著陰極保護(hù)電位負(fù)移，SSRT斷口由韌性斷口向脆性斷口轉(zhuǎn)變，剪切唇和頸縮逐漸消失，斷面收縮率減小，氫脆敏感系數(shù)增大；在本次試驗(yàn)電位范圍內(nèi)，隨著陰極保護(hù)電位變負(fù)，X70鋼的斷口保持為韌性斷口，氫脆敏感系數(shù)低于X80鋼。

（2）X80鋼在-1.1 V保護(hù)電位下有氫脆潛在危險(xiǎn)；在-0.9 V保護(hù)電位下，氫脆敏感系數(shù)為34.1%，存在潛在的氫脆風(fēng)險(xiǎn)。X70鋼在-1.1 V和-0.9 V保護(hù)電位下，最大氫脆敏感系數(shù)僅為1.5%，氫脆風(fēng)險(xiǎn)較小。即X80鋼的氫脆敏感性大于X70鋼。

［1］ 張慶國(guó).管線鋼的發(fā)展趨勢(shì)及生產(chǎn)工藝評(píng)述［J］.河北冶金，2003（5）：12-17.

［2］ 鄭磊，傅俊巖.高等級(jí)管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.鋼鐵，2006，41（10）：203-216.

［3］ 劉玉，李炎，李強(qiáng).陰極極化對(duì)X80管線鋼在模擬深海條件下氫脆敏感性的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，49（9）：1089-1097.

［4］ BATT C，DODSON J，ROBINSON M J.Hydrogen embrittlement of cathodically protected high strength steel in sea water and seabed sediment［J］.Bri Corros J，2002，37：194-198.

［5］ COUDREUSE L，RENAUDIN C，BOCQUET P，et al. Evaluation of hydrogen assisted cracking resistance of high strength jack-up steels［J］.Marine Structures，1997，10：85-106.

［6］ 楊兆艷.陰極極化對(duì)海水中907鋼氫脆敏感性影響研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［7］ 邱開(kāi)元，魏寶明，方耀華.16Mn鋼在3%氯化鈉水溶液中的陰極保護(hù)及其氫脆敏感性［J］.南京化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，14（2）：8-14.

［8］ 王海江，楊世偉.介質(zhì)和陰極保護(hù)電位對(duì)12Cr Ni3Mo V鋼長(zhǎng)短疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響［J］.腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1992，12（4）：371-376.

［9］ 楊兆艷，閆永貴，馬力，等.陰極極化對(duì)907鋼氫脆敏感性的影響［J］.腐蝕與防護(hù)，2009，30（10）：701-703.

［10］ 程遠(yuǎn)，俞宏英，王瑩，等.外加電位對(duì)X80鋼在南雄土壤模擬溶液中應(yīng)力腐蝕行為的影響［J］.腐蝕與防護(hù)，2013，34（1）：13-17.

［11］ 李超，杜翠薇，劉智勇，等.X100管線鋼在酸性土壤模擬溶液中的應(yīng)力腐蝕行為［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2012，24（4）：327-331.

［12］ 趙穎，王榮.X70管線鋼電化學(xué)充氫后的力學(xué)行為研究［J］.腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2004，24（5）：293-296.

［13］ 張士歡，王榮.X80管線鋼不同電化學(xué)充氫狀態(tài)下的斷裂特性［J］.腐蝕與防護(hù)，2009，30（3）：172-177.

［14］ 褚武揚(yáng)，喬利杰，李金許，等.氫脆和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂［M］.第1版.北京：科學(xué)出版社，2013：243-250.

［15］ 張林.模擬深海環(huán)境X70鋼陰極保護(hù)過(guò)程及其氫脆敏感性研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

Susceptibility of X70 and X80 Steels to Hydrogen Embrittlement in Yingtan Simulated Solution

YANG Yao-dong1，LU Kuang-da2，CAO Wen-hai2，MA Ru-fei2，ZHANG Lei2，LU Min-xu2
（1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.Institute of Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

X70 and X80 steels were selected to evaluate the susceptibility to hydrogen embrittlement in Yingtan simulated solution by slow strain rate test（SSRT）adding negative cathodic protection potential.The results show that hydrogen embrittlement susceptibility of the pipeline steels increased as the potential became more negative. Hydrogen embrittlement risk of X80 pipeline steel is higher than that of X70 at the same potential.

X70 steel；X80 steel；cathodic polarization；slow strain rate test；hydrogen embrittlement

TG172.4

A

1005-748X（2015）09-0810-04

10.11973/fsyfh-201509003

2015-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51271025）

張 雷（1978- ），副教授，博士，從事H2S/CO2腐蝕及耐蝕材料研究，010-62333972，zhanglei＠ustb.edu.cn