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 邢云穎

中石油西部管道公司科技信息服務(wù)中心

【摘要】在外加陰極保護(hù)電位下，采用慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)、動(dòng)電位極化方法及SEM，對(duì)比分析了西部管道大口徑X80鋼在農(nóng)田、戈壁和沙漠等新疆三種典型土壤模擬溶液中的氫脆行為。結(jié)果表明，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，且在不同環(huán)境中，隨著土壤電導(dǎo)率的增加和pH值的降低，其氫脆敏感性增加。

【關(guān)鍵詞】X80管線(xiàn)鋼 陰極極化 土壤模擬溶液 氫脆

為降低工程成本，西氣東輸一、二、三線(xiàn)西段均采用高鋼級(jí)、大口徑、高壓力管道，采取防腐層外加陰極保護(hù)的腐蝕控制措施。但高鋼級(jí)鋼材由于強(qiáng)度的提高其氫脆敏感性增加[1-3]，一旦防腐層發(fā)生破損或存在漏點(diǎn)，過(guò)負(fù)陰極保護(hù)電位下管線(xiàn)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，許多學(xué)者通過(guò)配置人工海水研究不同類(lèi)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[4-9]。

近年來(lái)，隨著埋地管線(xiàn)鋼鋼級(jí)強(qiáng)度的提高， 土壤環(huán)境下的氫脆問(wèn)題逐漸突出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)展開(kāi)相關(guān)研究[10-13]，其中國(guó)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(kù)爾勒模擬溶液為主。西氣東輸三線(xiàn)西段經(jīng)過(guò)新疆、甘肅及寧夏三省區(qū)， 所經(jīng)地區(qū)地貌類(lèi)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(duì)比分析不同土壤環(huán)境對(duì)氫脆敏感性的影響規(guī)律，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)。本研究選擇農(nóng)田、戈壁和沙漠這三種新疆典型的土壤，在外加陰極保護(hù)電位下，采用慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)、動(dòng)電位極化方法及SEM，對(duì)比分析了西部管道用大口徑X80鋼的氫脆行為規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用X80鋼取自西部管道用大口徑管線(xiàn)，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：C 0.070，Si 0.21， Mn 1.61，S 0.0025，P 0.081，Mo 0.13，Ti 0.012， Nb 0.041， Ni 0.012，Cu 0.14，Fe余量。金相照片如圖1所示，組織分布均勻細(xì)小，以珠光體和鐵素體為主。

圖1 X80鋼金相組織分析

慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)采用棒狀試樣，取樣方法參照ISO3183規(guī)定，垂直于鋼板的軋制方向。實(shí)驗(yàn)前，將試樣表面用水砂紙逐級(jí)打磨至800#，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(cè)試采用暴露面積為1cm×1cm的方塊試樣，試樣由環(huán)氧樹(shù)脂（120g環(huán)氧樹(shù)脂+30g 鄰苯二甲酸二丁酯+10g乙二胺）封裝，背面引出導(dǎo)線(xiàn)。測(cè)試前用水砂紙逐級(jí)打磨至800#，用蒸餾水和酒精清洗，干燥后備用。

現(xiàn)場(chǎng)選取農(nóng)田、沙漠和戈壁三種西部典型的土壤進(jìn)行理化性能測(cè)試，離子含量、土壤浸出液電導(dǎo)率和pH如表1所示。從表中可以看出，三種土壤中的離子含量和電導(dǎo)率差別較大，其中沙漠遠(yuǎn)高于戈壁和農(nóng)田；三種土壤的pH略有差別，沙漠為6.24 相對(duì)偏酸性，戈壁和農(nóng)田接近中性。實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)測(cè)試結(jié)果配置模擬溶液。

表1 三種土壤的離子成分

慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)分別在空氣中、-1.1Vvs. CSE電位條件下的三種土壤模擬溶液中進(jìn)行，拉伸速率為10-6s-1，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。實(shí)驗(yàn)前，預(yù)加恒電位持續(xù)24小時(shí)后開(kāi)始邊加電位邊進(jìn)行拉伸。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣依次用蒸餾水、無(wú)水酒精清洗后烘干，采用掃描電鏡（SEM）對(duì)拉伸棒的斷口進(jìn)行分析。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，X80鋼試樣作為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極，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，測(cè)試陰極極化曲線(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 電化學(xué)測(cè)試

X80鋼在農(nóng)田、戈壁和沙漠三種土壤模擬溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)如圖2所示。從圖中可以看出，三種環(huán)境下的開(kāi)路電位均在-0.72Vvs.SCE 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-1.0Vvs.SCE電位以上時(shí)， 三種環(huán)境中的極化曲線(xiàn)基本重合；當(dāng)極化電位負(fù)于-1.0Vvs.SCE時(shí)，隨著極化電位的負(fù)移，三種環(huán)境中的電流密度差距逐漸增加，同樣的極化電位下，三種環(huán)境中電流密度從小到大順序依次為農(nóng)田、戈壁和沙漠。

圖2 X80鋼在三種模擬溶液中的極化曲線(xiàn)對(duì)比

2.2 慢應(yīng)變速率拉伸

X80管線(xiàn)鋼在農(nóng)田、戈壁和沙漠三種土壤模擬溶液中-1.1Vvs.SCE電位下的慢應(yīng)變拉伸曲線(xiàn)以及在空氣中慢應(yīng)變拉伸曲線(xiàn)如圖3所示。從圖中可以看出，與空氣中慢拉伸相比，在不同土壤模擬溶液中邊加電位邊進(jìn)行慢拉伸X80鋼的強(qiáng)度σb和延伸率δ均發(fā)生不同程度的降低，強(qiáng)度σb和延伸率δ由大到小依次為農(nóng)田、戈壁和沙漠。

圖3 不同環(huán)境中的慢應(yīng)變拉伸曲線(xiàn)

為了進(jìn)一步分析材料的塑性損失，根據(jù)公式（1） （式中Ψ為斷面收縮率，S0為實(shí)驗(yàn)前截面面積，S為試驗(yàn)后截面面積）計(jì)算X80鋼的斷面收縮率，得出：在農(nóng)田土壤模擬溶液中斷面收縮率為50.8%， 在戈壁土壤模擬溶液中斷面收縮率為40.8%，在沙漠土壤模擬溶液中斷面收縮率為26.7%。

根據(jù)公式（2）（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為材料在介質(zhì)中拉伸時(shí)的斷面收縮率）計(jì)算X80管線(xiàn)鋼在不同環(huán)境中的氫脆系數(shù)，得出：在農(nóng)田土壤模擬溶液中氫脆系數(shù)FH為34.1%，在戈壁土壤模擬溶液中氫脆系數(shù)FH為47.2%，在沙漠土壤模擬溶液中氫脆系數(shù)FH為65.5%，氫脆敏感性依次增加。

2.3 斷口形貌觀(guān)察

不同條件下拉伸斷口的掃描電鏡照片如圖4 所示，圖a為空氣中的拉伸斷口，宏觀(guān)斷口出現(xiàn)明顯的緊縮（圖a1），微觀(guān)斷口形貌為韌窩狀（圖a2）。圖b~d依次為農(nóng)田、戈壁和沙漠三種土壤模擬溶液中-1.1Vvs.SCE電位下的斷口形貌。與空氣中相比，三種模擬溶液中斷口的頸縮程度依次減小，微觀(guān)形貌以準(zhǔn)解理狀形貌為主，說(shuō)明在-1.1Vvs.SCE電位下不同土壤模擬溶液中X80鋼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，三種土壤環(huán)境對(duì)斷口的影響規(guī)律與前面的計(jì)算結(jié)果一致。

3 分析討論

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)，如式（3）所示；當(dāng)極化電位達(dá)到析氫過(guò)電位時(shí)陰極才會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，如式（4）和式（5）所示。由于土壤模擬溶液中的溶解氧含量有限，隨著電位的繼續(xù)負(fù)移，氧的還原電流會(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中三種土壤環(huán)境中的陰極極化曲線(xiàn)可以看出，在-0.9Vvs.SCE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)電位以下，陰極析氫反應(yīng)占主導(dǎo)作用。因此較負(fù)電位下三種土壤環(huán)境中極化曲線(xiàn)的差異，主要是由于同樣的電位下三種環(huán)境中析氫電流密度不同導(dǎo)致的。

根據(jù)表1分析三種土壤模擬溶液的離子成分與理化性質(zhì)，沙漠、戈壁和農(nóng)田土壤的離子含量依次升高，農(nóng)田土壤模擬溶液中的離子含量最高， 電導(dǎo)率為5040μs/cm；戈壁土壤模擬溶液中的離子含量次之，電導(dǎo)率為815μs/cm；沙漠土壤模擬溶液中的離子含量最低，電導(dǎo)率為364μs/cm。同時(shí)，三種土壤模擬溶液中的pH值也依次增加，兩種因素均導(dǎo)致同樣的電位下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)變拉伸條件下，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[14]。圖2中在-1.1Vvs.SCE電位下，陰極電流密度由大到小依次為沙漠、戈壁和農(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)致此環(huán)境下的氫脆敏感性越高，這與不同環(huán)境中由慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)得到的氫脆系數(shù)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

（1）在外加-1.1Vvs.CSE電位條件下，農(nóng)田、戈壁和沙漠這三種新疆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。

（2）同樣的外加電位下，不同土壤模擬溶液中的氫脆敏感性不同，由大到小的排序依次為沙漠土、戈壁土和農(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，同樣的外加電位下，隨著土壤電導(dǎo)率的增加和pH值降低，陰極析氫電流密度增加，材料的氫脆敏感性增加。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] Cha W.Y., Hsiao C.M. et a1. Metal1. Trans. A 1984. l5A : 2087.

[3] Kushida T. et a1. Materia Jpn.1994. (33): 932.

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

[5] 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. 南京化工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1992, 14(2):8-14.

[6] 王洪仁，曾慶福. 陰極保護(hù)電位對(duì) 921 鋼海水中應(yīng)力腐蝕性能影響研究. 2004年腐蝕電化學(xué)及測(cè)試方法學(xué)術(shù)交流會(huì). 武漢: 2004, 164-169.

[ 7 ] C. B a t t , J .Do d s o n , M . J .Ro b i n s o n . H y d r o g e n embrittlement of cathodically protected high strength in seawater and seabed sediment[J]. British corrosion journal, 2002，37(3): 194-198.

[8] L.Coudreuse, C.Renaudin, P.Bocquet, et al. Evaluation of hydrogen assisted cracking resistance of high strength jack-up steel[J]. Marine structures, 1997,10：85-106.

[9] A.Oni. 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.

[10] 郟義征, 李輝, 胡楠楠, 等. 外加陰極電位對(duì)X100管線(xiàn)鋼近中性pH值應(yīng)力腐蝕開(kāi)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.

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

[12] L.Ping, L.Xiaogang, D.Cuiwei, et al. Stress corrosion cracking of X80 pipeline steel in simulated alkaline soil solution[J]. Materials and design, 2009, 30:1712-1717.

[13] 劉智勇, 王長(zhǎng)朋, 杜翠薇, 等. 外加電位對(duì)X80管線(xiàn)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.

[14] Chen W, Fang K, Vokes E. Corrosion, 2002; 58: 267.

作者簡(jiǎn)介：

楊永和，中國(guó)石油西部管道酒泉輸油氣分公司經(jīng)理， 高級(jí)工程師。