孫冰冰

（中國石油西部管道公司,烏魯木齊660008）

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、高壓力管道,而且新建天然氣管道一類地區(qū)的設(shè)計(jì)系數(shù)有從0.72提高到0.8的趨勢。這些對于提高管道輸送效率,降低管道建設(shè)成本都起到了重要作用。但高鋼級鋼材存在一個(gè)最大的隱患就是氫脆敏感性比較大［1-4］,析氫過電位比較低,在采用陰極保護(hù)進(jìn)行腐蝕控制的過程中,如果沿用傳統(tǒng)的低鋼級管線鋼-0.85～-1.2V（CSE,下同）的準(zhǔn)則,高強(qiáng)鋼可能產(chǎn)生過保護(hù)問題,導(dǎo)致管線氫脆失效。近年來,國內(nèi)外研究者通過配置土壤模擬溶液,對土壤環(huán)境中陰極保護(hù)導(dǎo)致高強(qiáng)鋼氫脆開展了大量的工作。郟義征、王炳英等［5-6］研究了X70～X120系列鋼級管線鋼在NS4模擬溶液中陰極保護(hù)與氫脆的關(guān)系；P.L等［7］研究了X70、X80鋼在模擬堿性土壤溶液、鷹潭酸性土壤溶液中陰極保護(hù)與土壤應(yīng)力腐蝕開裂的關(guān)系。但模擬溶液與真實(shí)土壤之間的規(guī)律是否一致,土壤模擬溶液中得出的結(jié)論能否指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。本工作選擇西部管道用大管徑X80鋼,通過外加陰極保護(hù)電位下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)合陰極極化曲線對比分析試樣在土壤及其模擬溶液中氫脆敏感性的變化規(guī)律,一方面給出新疆農(nóng)田土壤環(huán)境中材料發(fā)生氫脆的電位區(qū)間,為現(xiàn)場陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和控制提供依據(jù),另一方面,分析利用土壤溶液對X80鋼進(jìn)行氫脆敏感性研究的可行性,為以后的研究提供可靠依據(jù)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用西部管道用大管徑X80鋼,其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為：C 0.070,Si 0.21,Mn 1.61,S 0.002 5,P 0.081,Mo 0.13,Ti 0.012,Nb 0.041,Ni 0.012,Cu 0.14,余量為鐵。,慢應(yīng)變速率試驗(yàn)取樣方法參照ISO 3183-2012規(guī)定,垂直于鋼板的軋制方向切取棒狀試樣。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。極化曲線測試采用標(biāo)準(zhǔn)方形試樣,試樣尺寸為10mm×10mm×3mm。試樣由環(huán)氧樹脂（120g環(huán)氧樹脂＋30g鄰苯二甲酸二丁酯＋10g乙二胺）封裝,背面引出導(dǎo)線,暴露面積為1cm2。將封裝好的試樣打磨到800號后清洗干燥備用。

選取西部典型的農(nóng)田土進(jìn)行理化性能測試,土壤為近中性環(huán)境,pH為7.13,離子含量如表1所示,根據(jù)測試結(jié)果配置土壤模擬溶液,并用實(shí)際干土加去離子水配置土壤水飽和土。飽和水土壤處理方式如下：現(xiàn)場取回的土壤（現(xiàn)場管道埋深附近）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過烘干、粉碎、過篩除去碎石和殘留物質(zhì),然后添加蒸餾水（約30%）作為飽和水土壤。

慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)分別在空氣中、不同外加電位條件下的真實(shí)土壤以及土壤模擬溶液中進(jìn)行,拉伸速率為10-6·s-1,試驗(yàn)溫度為室溫。試驗(yàn)前預(yù)加恒電位持續(xù)24h后開始邊加電位邊進(jìn)行拉伸。

電化學(xué)測試采用三電極體系,X80鋼試樣作為工作電極,鉑片作為對電極,飽和甘汞電極作為參比電極（SCE）,用電化學(xué)工作站在農(nóng)田飽和水土壤和土壤模擬溶液中從自腐蝕電位向負(fù)向掃描,測試陰極極化曲線。

表1 土壤模擬液化學(xué)成分Tab.1 West farmland soil ion composition

2 結(jié)果與討論

圖1為X80管線鋼在農(nóng)田土壤模擬溶液和農(nóng)田水飽和土壤中不同外加電位條件下的慢應(yīng)變拉伸曲線。由曲線圖上可以看出,在農(nóng)田水飽和土壤及其模擬溶液中的拉伸曲線規(guī)律一致,與空拉相比,兩種環(huán)境中外加陰極保護(hù)電位條件下X80管線鋼的抗拉強(qiáng)度略有降低,延伸率明顯下降,表現(xiàn)出氫脆敏感性。

圖1 不同外加陰極保護(hù)條件下的慢應(yīng)變拉伸曲線Fig.1 Slow strain tensile curves at different cathodic protections potential in farmland soil simulationsolution（a）and farmland water saturated soil（b）

根據(jù)式（1）、式（2）可以計(jì)算材料的斷面收縮率Ψ和延伸率δ,其中S0為試驗(yàn)前截面面積,L0為試驗(yàn)前試樣標(biāo)距段長度,S為試驗(yàn)后截面面積,L為試驗(yàn)后試樣標(biāo)距段長度。圖2（a）為試樣在土壤模擬溶液中不同外加電位下的試驗(yàn)結(jié)果,圖2（b）為試樣在水飽和土壤中不同外加電位下的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出,在兩種介質(zhì)環(huán)境中,斷面收縮率和延伸率隨陰極保護(hù)電位的負(fù)移,均逐漸增加。說明陰極保護(hù)電位的負(fù)移會導(dǎo)致X80管線鋼氫脆敏感性增加。

空氣中拉伸試樣斷口的掃描電鏡照片如圖3所示。從圖中可以看出,斷口出現(xiàn)明顯的緊縮,斷口形貌為韌窩狀。圖4和圖5分別為試樣在農(nóng)田土壤模擬溶液和土壤中的斷口形貌。從圖中可以看出,兩種環(huán)境中,隨著外加電位的負(fù)移,斷口的脆性均逐漸增加。在土壤模擬溶液中,外加電位為-0.90V（CSE）拉伸試樣斷口邊緣位置呈現(xiàn)出脆性；-1.10V（CSE）電位下,試樣斷口發(fā)生很小的塑性變形,并在斷口內(nèi)部出現(xiàn)裂紋；-1.14V（CSE）電位下,斷口幾乎沒有塑性變形,斷口形貌從中心到邊緣均呈現(xiàn)出脆性。在土壤環(huán)境中,-0.82V（CSE）電位下,斷口出現(xiàn)明顯的頸縮,斷口中心形貌為韌窩狀,但在邊緣位置呈現(xiàn)出脆性；-1.2V（CSE）和-1.22V（CSE）電位下,斷口幾乎沒有塑性變形,斷口形貌從中心到邊緣均呈現(xiàn)出脆性。

圖2 不同外加陰極保護(hù)條件下的延伸率和斷面收縮率Fig.2 Elongation and area reduction at differentcathodic protection potentials in farmland soil simulation solution（a）and farmland water saturated soil（b）

圖3 X80管線鋼在空氣中拉伸斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of X80pipeline steel in air

圖6為X80管線鋼在農(nóng)田土壤及其模擬溶液中的陰極極化曲線。由圖中可以看出,二者的開路電位一致,均為-0.72V（CSE）,隨著極化電位的不斷負(fù)移,當(dāng)電位值大于-1.0V（CSE）時(shí),同樣的極化電位下,土壤模擬溶液中的電流密度開始逐漸大于土壤中的電流密度。由于溶液和土壤中的含氧量有限,在-1.0V（CSE）電位以下,陰極反應(yīng)主要發(fā)生氫的析出,因此在同樣的陰極保護(hù)電位下,土壤模擬溶液中產(chǎn)生的析氫量要高于在土壤中。

圖4 不同外加電位下,X80管線鋼在農(nóng)田土壤模擬溶液中拉伸斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of X80pipeline steel in farmland soil simulation solution at different applied potentials

根據(jù)式（3）可以計(jì)算X80管線鋼在不同外加電位下的氫脆系數(shù)。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。氫脆系數(shù)可以作為氫脆敏感性的判據(jù)［8-10］,根據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分氫脆區(qū)間如圖7所示,FH＞35%,視為脆斷區(qū),材料在該條件下肯定會發(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發(fā)生氫脆。

圖5 不同外加電位下,X80管線鋼在農(nóng)田水飽和土壤中拉伸斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of X80pipeline steel in farmland water saturated soil at different applied potentials

由圖中可以看出,不同外加電位條件下,X80管線鋼在農(nóng)田土壤環(huán)境下的氫脆系數(shù)更高。這與陰極極化曲線的測試結(jié)果一致,同樣的陰極保護(hù)電位下,土壤模擬溶液中產(chǎn)生的氫含量要高于土壤中的氫含量,而慢拉伸塑性損失是由于在應(yīng)力作用下,進(jìn)入材料中的氫向三向應(yīng)力集中區(qū)域富集導(dǎo)致的［11-12］。因此,X80鋼在農(nóng)田土壤環(huán)境中的氫脆敏感性要低于在農(nóng)田土壤模擬溶液環(huán)境中。

根據(jù)電位區(qū)間劃分,農(nóng)田土壤環(huán)境中,陰極保護(hù)電位達(dá)到-1.15V（CSE）,X80鋼進(jìn)入脆斷區(qū)；模擬溶液中陰極保護(hù)電位達(dá)到-1.10V（CSE）,X80鋼進(jìn)入脆斷區(qū)。兩種環(huán)境條件下電位相差50mV,比較接近且土壤模擬溶液中的電位更正,因此利用土壤模擬溶液對X80鋼進(jìn)行氫脆敏感性研究更偏保守,是適宜的。

3 結(jié)論

（1）在農(nóng)田土壤和模擬溶液中,隨陰極保護(hù)電位的負(fù)移,X80鋼的斷面收縮率和延伸率逐漸降低,氫脆敏感性增加。

（2）農(nóng)田土壤環(huán)境中,陰極保護(hù)電位達(dá)到-1.15V（CSE）,X80鋼進(jìn)入脆斷區(qū)；模擬溶液中陰極保護(hù)電位達(dá)到-1.10V（CSE）,X80鋼進(jìn)入脆斷區(qū)。

（3）X80鋼在模擬溶液中的氫脆敏感性高于在土壤中測試獲得的數(shù)據(jù),因此利用土壤模擬溶液對X80鋼進(jìn)行氫脆敏感性研究更偏保守,是適宜的。

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