X80鋼在新疆不同土壤環(huán)境中的氫脆行為

楊永和,胡江鋒,丁 融,吳建成,徐春燕,李振軍,方衛(wèi)林,孫冰冰,王修云

(1. 中國石油西部管道公司，烏魯木齊 660008; 2. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 100083)

X80鋼在新疆不同土壤環(huán)境中的氫脆行為

楊永和1,胡江鋒1,丁 融1,吳建成1,徐春燕1,李振軍1,方衛(wèi)林1,孫冰冰1,王修云2

(1. 中國石油西部管道公司，烏魯木齊 660008; 2. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 100083)

在外加陰極保護(hù)電位下，采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)、動(dòng)電位極化方法以及掃描電鏡(SEM)觀察等方法對比分析了西部管道用大口徑X80鋼在新疆三種典型土壤模擬溶液中的氫脆行為。結(jié)果表明：在外加-1.1 V(CSE)電位條件下，在新疆農(nóng)田、戈壁和沙漠三種典型土壤的模擬溶液中，X80鋼均發(fā)生強(qiáng)度和塑性損失，表現(xiàn)出氫脆敏感性；在不同的環(huán)境中，隨著土壤電導(dǎo)率的增加和pH的降低，X80鋼的氫脆敏感性增加。

陰極極化;X80管線鋼;氫脆;土壤模擬溶液

隨著我國油氣能源需求的快速增長，能源管道在我國大規(guī)模建設(shè)并投入使用。為降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，西部管道所屬的西氣東輸一、二、三線西段均采用高鋼級、大口徑、高壓力的管道。管道采用防腐蝕層外加陰極保護(hù)的聯(lián)合措施進(jìn)行腐蝕控制，但高鋼級材料由于強(qiáng)度的提高其氫脆敏感性增加[1]，一旦防腐蝕層發(fā)生破損或存在漏點(diǎn)，過負(fù)陰極保護(hù)電位下管線容易發(fā)生氫脆失效。以往關(guān)于陰極保護(hù)導(dǎo)致高強(qiáng)鋼氫脆的研究多集中在海水環(huán)境中，大量的學(xué)者通過配制人工海水研究了不同類型高強(qiáng)鋼氫脆敏感性隨保護(hù)電位的變化規(guī)律,并給出了最佳陰極保護(hù)范圍[2-7]。近年來，隨著埋地管線鋼鋼級的提高，其在土壤環(huán)境中的氫脆問題逐漸突出，國內(nèi)外學(xué)者已陸續(xù)展開了相關(guān)研究[8-13]，其中,國內(nèi)常用的介質(zhì)環(huán)境以酸性鷹潭土壤模擬溶液和堿性庫爾勒模擬溶液為主。西氣東輸三線西段共經(jīng)過新疆、甘肅及寧夏三個(gè)省、自治區(qū)，所經(jīng)地區(qū)地貌類型較復(fù)雜，平原、戈壁和荒漠等不同區(qū)域土壤理化性質(zhì)存在差異，對比分析不同土壤環(huán)境對氫脆敏感性的影響規(guī)律,這可以為不同土壤環(huán)境中的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有重要的實(shí)際意義。

本工作選擇新疆農(nóng)田、戈壁和沙漠三種典型的土壤，在外加陰極保護(hù)電位下，采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT)、動(dòng)電位極化方法以及掃描電鏡(SEM)對比分析了西部管道用大口徑X80鋼的氫脆行為。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)用X80鋼取自西部管道用大口徑集輸管線，其化學(xué)成分為：wC0.070%，wSi0.21%，wMn1.61%，wS0.002 5%，wP0.081%，wMo0.13%，wTi0.012%，wNb0.041%，wNi0.012%，wCu0.14%，余量鐵。金相組織見圖1，組織分布均勻細(xì)小，以珠光體和鐵素體為主。

圖1 X80鋼的金相組織Fig. 1 Microstructure of X80 steel

慢應(yīng)變速率試驗(yàn)采用棒狀試樣，取樣方法參照ISO 3183-2007規(guī)定，垂直于鋼板的軋制方向。試驗(yàn)前試樣表面用水砂紙逐級打磨至800號，打磨方向與拉伸方向一致，用蒸餾水和酒精清洗，干燥后備用。電化學(xué)測試采用裸露面積為1 cm×1 cm的方形試樣，除工作面外其余面采用環(huán)氧樹脂(120 g環(huán)氧樹脂+30 g鄰苯二甲酸二丁酯+10 g乙二胺)封裝，背面引出導(dǎo)線。測試前工作面用水砂紙逐級打磨至800號，用蒸餾水和酒精清洗，干燥備用。

1.2 試驗(yàn)方法

采用分析純的化學(xué)試劑按照表1配制土壤模擬溶液。由表1可見，三種土壤中的離子含量和電導(dǎo)率差別較大，其中沙漠土壤遠(yuǎn)的電導(dǎo)率高于戈壁和農(nóng)田土壤的；三種土壤的pH略有差別，沙漠土的pH為6.24,相對偏酸性，戈壁土和農(nóng)田土接近中性。

表1 西部農(nóng)田土壤的狀況Tab. 1 West farmland soil

慢應(yīng)變速率試驗(yàn)分別在空氣和三種土壤模擬溶液中進(jìn)行，拉伸速率為10-6s-1，試驗(yàn)溫度為室溫。在土壤模擬溶液中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，先預(yù)加-1.1 V(相對銅/硫酸銅電極,CSE)恒電位持續(xù)24 h后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，試樣的給定電位為-1.1 V(CSE)。試驗(yàn)結(jié)束后試樣依次用蒸餾水、無水酒精清洗后烘干，采用SEM對拉伸斷口進(jìn)行分析。電化學(xué)測試采用三電極體系，X80鋼試樣作為工作電極，鉑片作為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，用電化學(xué)工作站在三種土壤模擬溶液中從自腐蝕電位向負(fù)向掃描800 mV，以0.5 mV/s掃描速率測試陰極極化曲線。文中所用電位若無特指,均相對于CSE(CSE=SCE-72 mV)。

2 結(jié)果與討論

由圖2可見,試樣在三種土壤環(huán)境中的開路電位均在-0.72 V附近，隨著極化電位的不斷負(fù)移，電流密度逐漸增加。極化電位在-1.0 V以上時(shí)，試樣在三種土壤環(huán)境中的極化曲線基本重合；當(dāng)極化電位負(fù)于-1.0 V，隨著極化電位的負(fù)移，試樣在三種土壤環(huán)境中的電流密度差距逐漸增加，同樣的極化電位下，試樣在三種土壤環(huán)境中的電流密度從小到大依次為：農(nóng)田土壤模擬溶液>戈壁土壤模擬溶液>沙漠土壤模擬溶液。

圖2 試樣在三種土壤模擬溶液中的陰極極化曲線Fig. 2Cathodic polarization curves of sample in 3 kinds of soil simulation solutions

由圖3可見,與試樣在空氣中SSRT結(jié)果相比，試樣在-1.1 V給定電位下，不同土壤模擬溶液中的抗拉強(qiáng)度σb和延伸率δ均發(fā)生不同程度的降低。試樣在三種土壤模擬溶液中的抗拉強(qiáng)度σb和延伸率δ由大到小依次為:農(nóng)田土壤模擬溶液、戈壁土壤模擬溶液和沙漠土壤模擬溶液。

為了進(jìn)一步分析試樣的塑性損失，根據(jù)公式(1)計(jì)算X80鋼的斷面收縮率。經(jīng)計(jì)算,試樣在農(nóng)田土壤模擬溶液中的斷面收縮率為50.8%，在戈壁土壤模擬溶液中的斷面收縮率為40.8%，在沙漠土壤模擬溶液中的斷面收縮率為26.7%。

圖3 -1.1 V(CSE)給定電位下,試樣在不同土壤模擬溶液中的SSRT結(jié)果Fig. 3 SSRT results of sampls with -1.1 V (CSE) applied potential in 3 kinds of soil simulation solutions

式中:S0和S分別為試驗(yàn)前后試樣的截面積。

根據(jù)公式(2)計(jì)算X80鋼在不同環(huán)境中的氫脆系數(shù)。經(jīng)計(jì)算,試樣在農(nóng)田土壤模擬溶液中的氫脆系數(shù)為34.1%，在戈壁土壤模擬溶液中的氫脆系數(shù)為47.2%，在沙漠土壤模擬溶液中的氫脆系數(shù)為65.5%。

式中:FH為氫脆敏感系數(shù);ψ0為在空氣中拉伸的斷

面收縮率;ψ為試樣在介質(zhì)中拉伸時(shí)的斷面收縮率。

由圖4可見,空氣中拉斷的試樣的斷口出現(xiàn)明顯的頸縮，微觀形貌為韌窩狀。與空白試驗(yàn)相比，在-1.1 V給定電位條件下，試樣在農(nóng)田土壤模擬液、戈壁土壤模擬溶液、沙漠土壤模擬溶液中經(jīng)SSRT后，其斷口的頸縮程度依次減小，微觀形貌以準(zhǔn)解理為主。這說明在-1.1 V給定電位條件下,X80鋼在不同土壤模擬溶液中都具有明顯的氫脆敏感性，同時(shí)也表明X80鋼的氫脆敏感性會(huì)受到外部環(huán)境的影響。

在土壤模擬溶液中，隨極化電位的負(fù)移，陰極首先發(fā)生吸氧反應(yīng)，見式(3)；當(dāng)極化電位達(dá)到析氫過電位時(shí)陰極才會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，見式(4)和(5)。由于土壤模擬溶液中的溶解氧含量有限，隨著電位繼續(xù)負(fù)移，氧的還原電流密度會(huì)達(dá)到氧極限擴(kuò)散電流密度，陰極主要以析氫電流密度為主。從圖2試樣在三種土壤模擬溶液中的陰極極化曲線可以看出，在-0.9 V電位附近，存在析氫反應(yīng)和吸氧反應(yīng)的轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電位以下，陰極析氫反應(yīng)占主導(dǎo)作用。因此較負(fù)電位下,試樣在三種土壤環(huán)境中的極化曲線的差異主要是由于同樣電位下三種環(huán)境中析氫電流密度不同導(dǎo)致的。

(a) 空氣,宏觀 (b) 空氣,微觀 (c) -1.1 V(CSE),農(nóng)田土壤模擬液,宏觀(d) -1.1 V(CSE),農(nóng)田土壤模擬液,微觀

(e) -1.1 V(CSE),戈壁土壤模擬液,宏觀(f) -1.1 V(CSE),戈壁土壤模擬液,微觀(g) -1.1 V(CSE),沙漠土壤模擬液,宏觀(h) -1.1 V(CSE),沙漠土壤模擬液,微觀 圖4 試樣在不同試驗(yàn)條件下SSRT后的斷口形貌Fig. 4 Fracture morphology of the samples after SSRT under different test conditions: (a) tensile in air,macro; (b) tensile in air,micro; (c) tensile at -1.1 V (CSE) potential in farmland soil simulation solution,macro; (d) tensile at -1.1 V (CSE) potential in farmland soil simulation solution, micro; (e) tensile at -1.1V (CSE) potential in gobi soil simulation solution,macro; (f) tensile at -1.1V (CSE) potential in gobi soil simulation solution,micro; (g) tensile at -1.1 V (CSE) potential in desert soil simulation solution,macro; (h) tensile at -1.1 V (CSE) potential in desert soil simulation solution,micro

由表1可見，沙漠土壤、戈壁土壤和農(nóng)田土壤中離子含量依次降低。其中，沙漠土壤中離子含量最高，戈壁土壤模中的次之，農(nóng)田土壤中的最低,同時(shí)pH也依次增加。兩種因素均導(dǎo)致在相同的給定電位下，試樣的陰極析氫電流密度依次增加。

陰極析氫首先是氫離子還原成吸附在電極表面的氫原子，絕大部分吸附氫原子復(fù)合脫附或者電化學(xué)脫附結(jié)合成氫分子形成氣泡析出；另一部分吸附氫原子進(jìn)入金屬并向內(nèi)部擴(kuò)散。在慢應(yīng)變速率條件下，氫原子會(huì)向裂尖擴(kuò)展，并形成氣團(tuán)阻礙位錯(cuò)的滑移，導(dǎo)致脆性增加。

圖2中,在-1.1 V電位下，陰極電流密度由大到小依次為:沙漠土壤模擬溶液、戈壁土壤模擬溶液和農(nóng)田土壤模擬溶液，即三種模擬溶液中的陰極析氫電流密度逐漸降低，析氫電流密度越高，陰極產(chǎn)生的吸附氫原子數(shù)量越多，能夠擴(kuò)散進(jìn)入X80鋼內(nèi)部的氫原子數(shù)量也越多，導(dǎo)致X80鋼在此環(huán)境中的氫脆敏感性越高，這與不同環(huán)境中由慢應(yīng)變速率試驗(yàn)得到的氫脆系數(shù)結(jié)果一致。

3 結(jié)論

(1) 在外加-1.1 V電位條件下，在新疆農(nóng)田、戈壁和沙漠三種典型的土壤模擬溶液中，X80鋼均發(fā)生強(qiáng)度和塑性損失，表現(xiàn)出氫脆敏感性。

(2) 相同的給定電位下，不同土壤模擬溶液中的氫脆敏感性不同，由大到小依次排序?yàn)樾陆衬?新疆戈壁土>新疆農(nóng)田土。

(3) 陰極析氫電流密度是影響氫脆敏感性的主要因素，相同的給定電位下，隨著土壤電導(dǎo)率的增加和pH的降低，陰極析氫電流密度增加，X80鋼的氫脆敏感性增加。

[1] 褚武揚(yáng). 氫損傷與滯后斷裂[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，1988.

[2] 譚文志，杜元龍，傅超，等. 陰極保護(hù)導(dǎo)致ZC-120鋼在海水中環(huán)境氫脆[J]. 材料保護(hù)，1988，21(3):10-13.

[3] 邱開元， 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]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1992,14(2):8-14.

[4] 王洪仁，曾慶福. 陰極保護(hù)電位對921鋼海水中應(yīng)力腐蝕性能影響研究[C]//2004年腐蝕電化學(xué)及測試方法學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集. 武漢:[出版者不詳]. 2004:164-169.

[5] BATT C,DODSON J,ROBINSON M J. Hydrogen embrittlement of cathodically protected high strength in seawater and seabed sediment[J]. British Corrosion Journal,2002，37(3):194-198.

[6] COUDREUSE L,RENAUDIN C,BOCQUET P,et al. Evaluation of hydrogen assisted cracking resistance of high strength jack-up steel[J]. Marine Structures,1997,10(2)：85-106.

[7] ONI A. Effects of cathodic overprotection on some mechanical properties of a dual-phaselow-alloy steel in sea water[J]. Construction and Building Materials,1996，10(6):481-484.

[8] 郟義征,李輝,胡楠楠,等. 外加陰極電位對X100管線鋼近中性pH值應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2013,45(4):186-191.

[9] 王炳英,霍立興,王東坡,等. X80管線鋼在近中性pH溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007,40(6):757-760.

[10] PING L,LI X G,DU C W,et al. Stress corrosion cracking of X80 pipeline steel in simulated alkaline soil solution[J]. Materials and Design,2009,30:1712-1717.

[11] 劉智勇,王長朋,杜翠薇,等. 外加電位對X80管線鋼在鷹潭土壤模擬溶液中應(yīng)力腐蝕行為的影響[J]. 金屬學(xué)報(bào),2011,47(11):1434-1439.

[12] 翟國麗,劉智勇,杜翠薇,等. 不同組織X70鋼在酸性土壤模擬溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性[J]. 腐蝕與防護(hù),2009,30(3):149-171.

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

Hydrogen Embrittlement Behavior of X80 Steel in Different Xinjiang Soil Environments

YANG Yong-he1, HU Jiang-feng1, DING Rong1, WU Jian-cheng1, XU Chun-yan1, LI Zhen-jun1, FANG Wei-lin1, SUN Bing-bing1, WANG Xiu-yun2

(1. Petrochina West Pipeline Company, Urumqi 660008, China; 2. Safetech Research Institute (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100083, China)

Hydrogen embrittlement of large diameter X80 pipeline steel in the simulation solutions of three typical soils in Xinjiang was studied by slow strain rate test (SSRT) with applied potential, SEM and potentiodynamic polarization curve. The results showed that at -1.1 V (CSE) cathodic potential, the strength and plastic deformation losses of X80 steel occurred, indicating the hydrogen embrittlement sensitivity. In different environments, with the increase of soil electrical conductivity and the decrease of pH, hydrogen embrittlement sensitivity of the X80 steel increased.

cathodic polarization; X80 pipeline steel; hydrogen embrittlement; soil simulation solution

10.11973/fsyfh-201701011

2015-07-03

楊永和(1970-)，高級工程師，博士，能源與環(huán)保，0991-7561381,yhyang@petrochina.com.cn

TG174

A

1005-748X(2017)01-0050-04