楊永和 胡江鋒 丁融 吳建成 徐春燕 李振軍 方衛林 孫冰冰 王修云 邢云穎

中石油西部管道公司科技信息服務中心

 

【摘要】在外加陰極保護電位下，采用慢應變速率拉伸實驗、動電位極化方法及SEM，對比分析了西部管道大口徑X80鋼在農田、戈壁和沙漠等新疆三種典型土壤模擬溶液中的氫脆行為。結果表明，三種典型土壤的模擬溶液中X80鋼均發生強度和塑性損失，表現出氫脆敏感性，且在不同環境中，隨著土壤電導率的增加和pH值的降低，其氫脆敏感性增加。

【關鍵詞】X80管線鋼 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、三線西段均采用高鋼級、大口徑、高壓力管道，采取防腐層外加陰極保護的腐蝕控制措施。但高鋼級鋼材由于強度的提高其氫脆敏感性增加[1-3]，一旦防腐層發生破損或存在漏點，過負陰極保護電位下管線容易發生氫脆失效。以往關于陰極保護導致高強鋼氫脆的研究多集中在海水環境中，許多學者通過配置人工海水研究不同類型高強鋼氫脆敏感性隨保護電位的變化規律并給出了最佳陰極保護范圍[4-9]。

近年來，隨著埋地管線鋼鋼級強度的提高， 土壤環境下的氫脆問題逐漸突出，國內外學者陸續展開相關研究[10-13]，其中國內常用的介質環境以酸性鷹潭土壤模擬溶液和堿性庫爾勒模擬溶液為主。西氣東輸三線西段經過新疆、甘肅及寧夏三省區， 所經地區地貌類型較復雜，平原、戈壁和荒漠等不同區域土壤理化性質存在差異，對比分析不同土壤環境對氫脆敏感性的影響規律，可以為不同土壤環境中的陰極保護設計提供理論依據。本研究選擇農田、戈壁和沙漠這三種新疆典型的土壤，在外加陰極保護電位下，采用慢應變速率拉伸實驗、動電位極化方法及SEM，對比分析了西部管道用大口徑X80鋼的氫脆行為規律。

1 實驗方法

實驗用X80鋼取自西部管道用大口徑管線，其化學成分（質量分數，%）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，組織分布均勻細小，以珠光體和鐵素體為主。

 

圖1 X80鋼金相組織分析

慢應變速率拉伸實驗采用棒狀試樣，取樣方法參照ISO3183規定，垂直于鋼板的軋制方向。實驗前，將試樣表面用水砂紙逐級打磨至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。電化學測試采用暴露面積為1cm×1cm的方塊試樣，試樣由環氧樹脂（120g環氧樹脂+30g 鄰苯二甲酸二丁酯+10g乙二胺）封裝，背面引出導線。測試前用水砂紙逐級打磨至800#，用蒸餾水和酒精清洗，干燥后備用。

現場選取農田、沙漠和戈壁三種西部典型的土壤進行理化性能測試，離子含量、土壤浸出液電導率和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率差別較大，其中沙漠遠高于戈壁和農田；三種土壤的pH略有差別，沙漠為6.24 相對偏酸性，戈壁和農田接近中性。實驗時根據測試結果配置模擬溶液。

表1 三種土壤的離子成分

 

 

慢應變速率拉伸實驗分別在空氣中、-1.1Vvs. CSE電位條件下的三種土壤模擬溶液中進行，拉伸速率為10-6s-1，實驗溫度為室溫。實驗前，預加恒電位持續24小時后開始邊加電位邊進行拉伸。實驗結束后，將試樣依次用蒸餾水、無水酒精清洗后烘干，采用掃描電鏡（SEM）對拉伸棒的斷口進行分析。電化學測試采用三電極體系，X80鋼試樣作為工作電極，鉑片作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極，用電化學工作站在三種土壤模擬溶液中從自腐蝕電位向負向掃描，測試陰極極化曲線。

2 實驗過程與結果

2.1 電化學測試

X80鋼在農田、戈壁和沙漠三種土壤模擬溶液中的動電位極化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，三種環境下的開路電位均在-0.72Vvs.SCE 附近，隨著極化電位的不斷負移，電流密度逐漸增加。極化電位在-1.0Vvs.SCE電位以上時， 三種環境中的極化曲線基本重合；當極化電位負于-1.0Vvs.SCE時，隨著極化電位的負移，三種環境中的電流密度差距逐漸增加，同樣的極化電位下，三種環境中電流密度從小到大順序依次為農田、戈壁和沙漠。

 

圖2 X80鋼在三種模擬溶液中的極化曲線對比

2.2 慢應變速率拉伸

X80管線鋼在農田、戈壁和沙漠三種土壤模擬溶液中-1.1Vvs.SCE電位下的慢應變拉伸曲線以及在空氣中慢應變拉伸曲線如圖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行慢拉伸X80鋼的強度σb和延伸率δ均發生不同程度的降低，強度σb和延伸率δ由大到小依次為農田、戈壁和沙漠。

 

 

圖3 不同環境中的慢應變拉伸曲線

為了進一步分析材料的塑性損失，根據公式（1） （式中Ψ為斷面收縮率，S0為實驗前截面面積，S為試驗后截面面積）計算X80鋼的斷面收縮率，得出：在農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%。

 

根據公式（2）（式中FH為氫脆敏感系數，ψ0 為在空氣中拉伸的斷面收縮率，ψ為材料在介質中拉伸時的斷面收縮率）計算X80管線鋼在不同環境中的氫脆系數，得出：在農田土壤模擬溶液中氫脆系數FH為34.1%，在戈壁土壤模擬溶液中氫脆系數FH為47.2%，在沙漠土壤模擬溶液中氫脆系數FH為65.5%，氫脆敏感性依次增加。

 

2.3 斷口形貌觀察

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，宏觀斷口出現明顯的緊縮（圖a1），微觀斷口形貌為韌窩狀（圖a2）。圖b~d依次為農田、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，微觀形貌以準解理狀形貌為主，說明在-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，同時也表明X80鋼的氫脆敏感性會受到外部環境的影響，三種土壤環境對斷口的影響規律與前面的計算結果一致。

 

3 分析討論

在土壤模擬溶液中，隨極化電位的負移，陰極首先發生吸氧反應，如式（3）所示；當極化電位達到析氫過電位時陰極才會發生析氫反應，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，隨著電位的繼續負移，氧的還原電流會達到氧極限擴散電流密度，陰極主要以析氫電流密度為主。從圖2中三種土壤環境中的陰極極化曲線可以看出，在-0.9Vvs.SCE電位附近， 存在析氫反應和吸氧反應的轉折拐點，在轉折點電位以下，陰極析氫反應占主導作用。因此較負電位下三種土壤環境中極化曲線的差異，主要是由于同樣的電位下三種環境中析氫電流密度不同導致的。

 

 

根據表1分析三種土壤模擬溶液的離子成分與理化性質，沙漠、戈壁和農田土壤的離子含量依次升高，農田土壤模擬溶液中的離子含量最高， 電導率為5040μs/cm；戈壁土壤模擬溶液中的離子含量次之，電導率為815μs/cm；沙漠土壤模擬溶液中的離子含量最低，電導率為364μs/cm。同時，三種土壤模擬溶液中的pH值也依次增加，兩種因素均導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合脫附或者電化學脫附結合成氫分子形成氣泡析出；另一部分吸附氫原子進入金屬并向內部擴散。在慢應變拉伸條件下，氫原子會向裂尖擴展，并形成氣團阻礙位錯的滑移，導致脆性增加[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，陰極產生的吸附氫原子數量越多， 能夠擴散進入X80鋼內部的氫原子數量也越多，導致此環境下的氫脆敏感性越高，這與不同環境中由慢應變拉伸試驗得到的氫脆系數結果一致。

4 結論

（1）在外加-1.1Vvs.CSE電位條件下，農田、戈壁和沙漠這三種新疆典型土壤的模擬溶液中X80 鋼均發生強度和塑性損失，表現出氫脆敏感性。

（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。

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作者簡介：

楊永和，中國石油西部管道酒泉輸油氣分公司經理， 高級工程師。