近中性模擬土壤介質(zhì)中X80鋼的電化學(xué)行為研究

陳健飛 陳麗娜 劉海波 彭勝利

（中石化勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營257000）

0 引言

管線運(yùn)輸是長距離輸送石油、天然氣最經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)輸方式。隨著全球能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，石油天然氣的需求增加，促進(jìn)了管線工程的迅速發(fā)展，長輸管線向高強(qiáng)度、大口徑發(fā)展［1］。管線鋼土壤環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）一直備受關(guān)注，國內(nèi)外專家學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室中對管線鋼的SCC問題進(jìn)行了一系列研究。一般認(rèn)為在土壤介質(zhì)中所發(fā)生的應(yīng)力腐蝕分為兩種，一種為高pH介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕開裂；另一種為近中性土壤介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，1985年最早發(fā)現(xiàn)于加拿大，最近20年在管道脫落涂層下發(fā)現(xiàn)幾例穿晶應(yīng)力腐蝕開裂事故（TGSCC）［2－5］。管線鋼的應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在一定的電位范圍內(nèi)，與管線鋼在特定介質(zhì)中的電化學(xué)行為密不可分。本文對X80鋼焊接接頭的基體、焊縫、熱影響區(qū)在近中性模擬土壤介質(zhì)NS4溶液中的陽極極化曲線進(jìn)行了測定，為認(rèn)識(shí)應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理提供了電化學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用材取自寶鋼生產(chǎn)的 1 016×18.4的X80管線鋼。實(shí)驗(yàn)樣品為直徑25mm、厚度2.5mm的圓片，用環(huán)氧樹脂鑲嵌做成電極，試樣暴露面積為1mm2。依次用200＃、400＃、600＃、800＃、1 000＃砂紙研磨后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，分別觀察母材、熱影響區(qū)和焊縫的金相組織，然后清洗備用。參比電極采用飽和甘汞電極，輔助電極用Pt片。

先把電極浸入溶液中，待自腐蝕電位基本穩(wěn)定后，測量自腐蝕電位（Ecorr）。而后在E＝－1.5V下陰極除膜5min，然后分別以0.3mV／s、0.5mV／s、0.166mV／s的掃描速度由陰極向陽極進(jìn)行動(dòng)電位掃描。

采用NS4溶液在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬近中性pH土壤介質(zhì)，用醋酸調(diào)節(jié)溶液的pH 值，分別測試pH＝7.1、6.9、6.5的極化曲線，實(shí)驗(yàn)前通N2預(yù)除氧0.5h以上。

2 結(jié)果與討論

（1）X80鋼及焊縫在不同掃描速度下的極化曲線和電化學(xué)參數(shù)如圖1、表1所示。

（2）母材和焊縫在不同pH值下的極化曲線和電化學(xué)參數(shù)如圖2、表2所示。

從圖2、表2中可以看出，隨著pH值降低，母材與焊縫的自腐蝕電位和腐蝕電流密度相應(yīng)地均有所升高，這說明pH值降低會(huì)增大腐蝕速率；從表2中可以看出，相同pH值下，母材與焊縫的自腐蝕電位和腐蝕電流密度相差不大，由此可以推斷在NS4溶液中，X80鋼的母材與焊縫區(qū)耐腐蝕性十分接近。

圖1 母材和焊縫在三個(gè)掃描速度下的極化曲線

表1 母材和焊縫在不同掃描速度下的電化學(xué)參數(shù)表

圖2 不同pH值的NS4溶液中母材和焊縫的極化曲線

表2 母材和焊縫在不同pH值下的電化學(xué)參數(shù)表

3 結(jié)果分析

3.1 金相組織對電化學(xué)行為的影響

X80鋼的組織形態(tài)影響著其電化學(xué)行為。金相顯微鏡上觀察了X80管線鋼焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材三個(gè)不同區(qū)域的顯微組織，如圖3所示，腐蝕試劑為4%硝酸酒精溶液。由圖3（a）可以看出，母材的組織為針狀鐵素體＋下貝氏體，晶粒細(xì)小、均勻，組織處于平衡狀態(tài)。圖3（b）為焊縫組織，金屬處于局部熔化狀態(tài)，晶粒較母材粗大。從表1和表2中可以得到母材與焊縫的腐蝕電流相差較小，說明X80鋼在采用合適的焊接工藝與焊接規(guī)范的情況下，焊縫與母材同樣具有較強(qiáng)的耐蝕性能。

3.2 掃描速度對X80鋼焊接接頭電化學(xué)行為的影響

圖3 焊接接頭的金相顯微組織（400×）

圖1是在0.166mV／s、0.3mV／s和0.5mV／s的掃描速度下對母材和焊縫進(jìn)行掃描的結(jié)果，從圖1和表1中均可看出隨著掃描速度升高，曲線變化不大，0.166mV／s是比較符合實(shí)際的。從表1中可看出，母材與焊縫的自腐蝕電位和腐蝕電流密度相差不大；在圖1中，兩條曲線十分接近。由此可以推斷在NS4溶液中，X80鋼的母材與焊縫區(qū)耐腐蝕性十分相似。

3.3 pH值對X80鋼焊接接頭電化學(xué)行為的影響

從圖2和表2中可以看出，隨著pH值降低，母材與焊縫的自腐蝕電位和腐蝕電流密度相應(yīng)有所升高，這說明pH值降低會(huì)增大腐蝕速率。從表2中可以看出，相同pH值下，母材與焊縫的自腐蝕電位和腐蝕電流密度相差不大，由此可以推斷在NS4溶液中，X80鋼的母材與焊縫區(qū)耐腐蝕性十分接近。

4 結(jié)論

（1）在NS4溶液中，X80鋼的母材與焊縫區(qū)耐腐蝕性十分接近。用醋酸調(diào)節(jié)溶液pH值可得，隨著pH值升高，X80鋼的母材與焊縫區(qū)腐蝕速率相應(yīng)下降。

（2）由于自腐蝕電位越低，說明活性越大，所以比較X80管線鋼在近中性溶液和高pH值溶液中的自腐蝕電位即可得出：X80管線鋼在近中性溶液中的活性大，更易產(chǎn)生活性溶解。

［1］莊傳晶，馮耀榮，霍春勇，等.國內(nèi)X80級管線鋼的發(fā)展及今后的研究方向［J］.焊管，2005，28（2）：10－14.

［2］郭浩，蔡珣，楊武.影響管線鋼應(yīng)力腐蝕破裂的力學(xué)和材料因素［J］.機(jī)械工程材料，2002，26（4）：1－5，11.

［3］Jia Y Z，Wang J Q，Han E H，et al.Stress Corrosion Cracking of X80Pipeline Steel in Near－Neutral pH Environment under Constant Load Tests with and without Preload［J］.Journal of Materials Science ＆ Technology，2011，27（11）：1039－1046.

［4］李明星，王榮，白真權(quán).X70管線鋼在模擬近中性土壤介質(zhì)中的電化學(xué)特性［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2004，16（1）：17－20.

［5］郭浩，李光福，蔡珣，等.X70管線鋼在不同溫度近中性pH溶液中的應(yīng)力腐蝕破裂行為［J］.金屬學(xué)報(bào)，2004，40（9）：967－971.