高壓直流輸電負向干擾對X80M管線鋼的氫致?lián)p傷行為研究*

袁軍濤，曹興榮，黃巖崗，楊作祺，韓 燕，付安慶 ，尹成先

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077;2. 中國石油長慶油田分公司第十一采油廠 甘肅 慶陽 745099； 3.延安嘉盛石油機械有限責(zé)任公司 陜西 延安 716004)

0 引 言

高壓直流輸電(HVDC)是一種高電壓、大功率、遠距離的輸電技術(shù)。2004年以來，我國電力資源需求快速增長，特高壓交流(≥1 000 kV，UHVAC)和特高壓直流(≥±800 kV，UHVDC)技術(shù)快速發(fā)展。相對于UHVAC而言，UHVDC具有“點對點遠距離輸電更經(jīng)濟”、“適用于不同頻率電網(wǎng)的互聯(lián)”等優(yōu)點。目前，我國已投運的高壓直流輸電線路達29條。HVDC具有單極、雙極兩種主要的輸電方式，都會產(chǎn)生不同程度的入地電流。當(dāng)HVDC以正常的雙極運行時，入地電流為不平衡電流，數(shù)值小于額定輸出電流的1%，具有波動性；但當(dāng)發(fā)生故障或調(diào)試時，HVDC以單極運行，入地電流數(shù)值是輸電線路中的輸出電流，在實際過程中數(shù)值上達數(shù)千安培[1]。入地電流可以被埋地金屬結(jié)構(gòu)物吸收、傳遞、釋放，造成金屬結(jié)構(gòu)物存在腐蝕、氫脆的風(fēng)險[2]。

油氣管道是國家能源的“命脈”，我國油氣管道干線數(shù)量總和已達到13.6萬公里[3]，油氣管網(wǎng)四通八達。其中，以X80為代表的高鋼級油氣管道總里程達1.7萬公里，約是國外X80管道總長度的2倍[4]。HVDC網(wǎng)絡(luò)與埋地油氣管網(wǎng)的縱橫交錯，對油氣管道的服役安全造成較大的威脅。李振軍[5]測試哈密南-鄭州特高壓直流輸電系統(tǒng)(±800 kV)的運行情況時發(fā)現(xiàn)采用單級大地回線方式運行時的最大入地電流達到2 900 A，接地陰極放電時距離接地極與西氣東輸管道垂直點11 km處的管地電位正向偏移量達11.73 V，而接地陽極放電時距離接地極與管道垂直點21 km處的管地電位負向偏移達7.1 V，且放電的影響范圍均達到300 km以上。譚春波等[6]測量魚龍嶺接地單極大地回路入地電流對廣東管網(wǎng)天然氣管道的干擾，發(fā)現(xiàn)管地電位負向偏移最大達10.5 V，正向偏移最大達141.7 V。高壓直流輸電對管道的正向干擾會加速管道的腐蝕，而負向干擾則會加速管道防腐層的陰極剝離以及造成管道的氫致?lián)p傷，從而影響油氣管道的安全運行。因此，高壓直流輸電干擾對油氣管道損傷行為的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

秦潤之等[7]研究了高壓直流正向干擾下X80鋼的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)電流密度隨時間變化表現(xiàn)出3階段變化的特征(陡增→逐漸下降→穩(wěn)定)，這種變化是由于大幅干擾電位造成短時間內(nèi)試片周圍土壤溫度升高、含水率降低、局部電阻率大幅增加所導(dǎo)致的，直流干擾電位為200 V時X80鋼的腐蝕速率達到極大值(10.63 μm/h)，而且高壓直流干擾下的腐蝕速率和電流密度變化符合Faraday定律。Qian等[8]研究了直流電流干擾下X52鋼的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)直流電流密度增大至10 A/m2時的腐蝕速率達到12.5 mm/a，是自然狀態(tài)下的31倍。Dai等[9]研究了高壓直流干擾下干濕循環(huán)對鋼腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)高壓直流電會加速腐蝕，并且腐蝕速率隨電場強度的增大而增大。盡管如此，現(xiàn)有的研究主要針對高壓直流正向干擾對鋼鐵的腐蝕行為的影響，缺少HVDC干擾時造成的大幅度負向電位下的氫脆行為的研究，相關(guān)的損傷行為和損傷機制尚不清楚。

本文圍繞HVDC負向干擾，采用軸向拉伸法、掃描電子顯微鏡等方法，研究了負向干擾電位、負向干擾電流對X80鋼在模擬土壤溶液中的損傷行為。

1 試驗方法

試驗材料取自規(guī)格為Φ1 422 mm×25.7 mm的X80M直縫埋弧焊管，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。試驗材料的金相分析結(jié)果如圖1所示，其顯微組織為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體，晶粒度等級為11.0級，夾雜物級別為A0.5、B0.5、D0.5，帶狀組織級別為0.5級。

表1 X80M直縫埋弧焊管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 X80M管線鋼的金相分析結(jié)果

軸向拉伸試驗在MTS電子拉伸試驗機上進行，采用棒狀試樣，長為101 mm，試驗段直徑為6.35 mm，標(biāo)距為25.4 mm。試驗前，試樣標(biāo)距段拋光至鏡面，并用硅膠將非標(biāo)距段覆蓋以防止試驗時與試驗溶液接觸。

試驗溶液為近中性模擬土壤溶液(NS4溶液)，其化學(xué)組成(g/L)：NaHCO3為0.483，KCl為0.122，CaCl2·2H2O為0.181，MgSO4·7H2O 為0.131。該溶液采用去離子水和分析純化學(xué)試劑配制而成，pH值約為7。

將試樣固定在電解槽中，并用硅膠將底部密封后，夾持在電子拉伸試驗機上。將配制好的試驗溶液倒入電解槽中，并通過銅導(dǎo)線將直流電源與試樣、輔助電極連接。試驗時，通過恒壓輸出，將輸出電壓調(diào)控在-50～-150 V范圍內(nèi)，待試樣表面有氣泡冒出時，開始拉伸試驗直至試樣拉斷。此外，為了研究拉伸速率對X80M管線鋼的氫致?lián)p傷的影響，將輸出電流控制為50 mA/cm2，拉伸速率調(diào)控在0.05～2.0 mm/min范圍內(nèi)。試驗結(jié)束后，將斷裂試樣用無水乙醇清洗、冷風(fēng)吹干、保存。采用式(1)計算氫脆敏感性指數(shù)以衡量試樣的氫脆敏感性，式中Ψ0為未充氫試樣的斷面收縮率,%；ΨH為充氫試樣的斷面收縮率，%。采用掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌，以明確斷口特征。

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2 結(jié)果與討論

2.1 負向干擾電位的影響

圖2是X80M管線鋼在不同外加直流電壓下的氫脆敏感性指數(shù)。

圖2 外加直流電壓與X80M鋼氫脆敏感性指數(shù)之間的關(guān)系

可以看出：在-50～-80 V范圍內(nèi)，隨著外加直流電壓越負，X80M管線鋼的IHE值增大；當(dāng)外加電壓負至-100 V時，IHE值降低約30%；之后，隨著外加電壓繼續(xù)變負，IHE值趨于穩(wěn)定。工程上通常認(rèn)為IHE值大于35%時為脆斷區(qū)，在25%～35%之間時為危險區(qū)，小于25%時為安全區(qū)。美國宇航局標(biāo)準(zhǔn)NASA 8-30744中則認(rèn)為當(dāng)IHE值小于10%時無氫損傷，在10%～25%之間時存在氫損傷，在25%～50%之間時為嚴(yán)重氫損傷，大于50%時為極度氫損傷。據(jù)此，可以判斷當(dāng)外加電壓在-50～-150 V之間時，X80M管線鋼存在嚴(yán)重氫損傷的風(fēng)險；盡管如此，當(dāng)外加電壓負于-100 V時，氫脆敏感性有所降低。

圖3是不同外加直流電壓與試驗溶液溫度的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著外加直流電壓越負，試驗溶液的溫度越高，當(dāng)外加電壓達到-150 V時，試驗溶液的溫度已接近沸點。一般來講，溫度升高，氣體更容易從金屬中逸出，因此隨著外加電壓越負，X80M管線鋼的氫脆敏感性大幅降低。

圖3 外加直流電壓與試驗溶液溫度之間的關(guān)系

2.2 負向干擾下拉伸速率的影響

圖4是X80M管線鋼在充氫電流密度為50 mA/cm2條件下的應(yīng)力-位移曲線及氫脆敏感性指數(shù)，可以看出拉伸速率對X80鋼的斷裂時間和氫脆敏感性指數(shù)影響比較顯著。隨著拉伸速率增大，X80M管線鋼的斷裂時間縮短，同時氫脆敏感性指數(shù)減小。

圖4 不同拉伸速率下X80M管線鋼的試驗結(jié)果

圖5是不同拉伸速率下X80M管線鋼的斷口形貌。隨著拉伸速率增大，斷口側(cè)面裂紋尺寸增大、密度增加，斷面收縮率變大。圖6是不同拉伸速率下X80M管線鋼拉伸主斷口的微觀形貌。由圖6可以看出：當(dāng)拉伸速率為0.05 mm/min時，斷口為準(zhǔn)解理斷口形貌，同時伴有較大孔洞，呈現(xiàn)出脆性特征；當(dāng)拉伸速率增大為0.5 mm/min時，斷口形貌呈現(xiàn)出一定的韌性斷裂特征，韌窩間出現(xiàn)明顯的撕裂棱，不均勻性增強；當(dāng)拉伸速率繼續(xù)增大至2.0 mm/min時，斷口形貌更接近于韌性斷裂，試樣表層區(qū)域的韌窩增多，脆性特征逐漸消失。盡管如此，由于氫的擴散與其濃度梯度有關(guān)，因此，試樣邊緣附近的氫富集會顯著高于中心區(qū)域，從而導(dǎo)致從邊緣的脆性斷裂到中心的相對韌性斷裂之間存在過渡[10]。

圖5 不同拉伸速率下X80M鋼的斷口形貌

圖6 不同拉伸速率下X80M管線鋼的斷口微觀形貌

由上可以看出，拉伸速率對X80M管線鋼的氫損傷行為有著顯著的影響。通常情況下，擴散氫與位錯、裂紋形成及擴展之間的交互作用，使得擴散氫在氫脆中起著重要的作用。在較低的拉伸速率下，擴散氫有更多的時間向裂紋尖端遷移，從而導(dǎo)致試樣的脆性斷裂。

3 結(jié) 論

本文研究了高壓直流輸電負向干擾對X80M管線鋼在NS4土壤溶液中的損傷行為的影響。基于試驗結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1)高壓直流輸電負向干擾對X80M管線鋼的氫脆敏感性影響顯著，在-50～-150 V范圍內(nèi)，隨著干擾電位負向增大，X80M管線鋼的氫脆敏感性指數(shù)呈先增大后減小再穩(wěn)定的趨勢，臨界電位值大約在-80～-100 V之間，因此工程中應(yīng)監(jiān)測高壓直流輸電負向干擾幅值，對負向干擾正于-80 V的高風(fēng)險區(qū)域做好管道的排流措施。

2)在負向干擾下，拉伸速率對X80M管線鋼的氫脆敏感性影響顯著，拉伸速率低于0.1 mm/min時X80M管線鋼呈現(xiàn)脆性斷裂特征，隨著拉伸速率增大，脆性特征逐漸減少，試樣逐漸呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。這是由于在較低的拉伸速率下，擴散氫有更多的時間向裂紋尖端遷移，從而導(dǎo)致試樣的脆性斷裂。