X80管線鋼在含氫煤制氣環(huán)境中的氫脆敏感性

金立果,邢云穎

(1. 中國石油西部管道公司,烏魯木齊 660008； 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司,北京 100083)

X80管線鋼在含氫煤制氣環(huán)境中的氫脆敏感性

金立果1,邢云穎2

(1. 中國石油西部管道公司,烏魯木齊 660008； 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司,北京 100083)

采用慢應變速率試驗和缺口試樣拉伸試驗，并結(jié)合斷口分析，研究了X80鋼在含氫煤制氣環(huán)境中的氫脆敏感性。結(jié)果表明：高壓含氫環(huán)境中X80鋼的強度和塑性指標均有所下降，斷口出現(xiàn)脆斷形貌，表現(xiàn)出一定的氫脆敏感性，且橫向取樣方向?qū)浯喔鼮槊舾?；通過對比分析X80鋼在高壓氫氣環(huán)境中慢拉伸和缺口拉伸兩種狀態(tài)下的韌性損失，發(fā)現(xiàn)缺口試樣的三向應力集中區(qū)域受氫脆影響更為嚴重。

X80鋼；慢應變速率試驗；缺口試樣拉伸；氫脆

煤制天然氣是煤經(jīng)過加壓氣化處理等一系列化學過程后，脫硫提純制得的含有可燃成分的氣體。從我國能源資源“富煤、缺油、少氣”的特點來看，將富煤地區(qū)的煤炭資源就地轉(zhuǎn)化成天然氣輸往沿海地區(qū)，成為繼煤炭發(fā)電、煤制油之后的又一重要戰(zhàn)略選擇。而在油氣運輸領域，高強度管線鋼已被廣泛應用，此類鋼材的開發(fā)和使用不僅可以在不影響輸氣安全的前提下減少壁厚，從而實現(xiàn)油氣管道的高壓高效輸送，并且能夠降低油氣管線的成本。因而,高壓輸送采用高鋼級管材是石油天然氣管道發(fā)展的重要趨勢[1]。

然而根據(jù)相關文獻報道，高鋼級管線鋼對氫脆和氫致裂紋擴展更為敏感[2]。煤制天然氣中含有質(zhì)量分數(shù)為2%～6%的氫，由于壓力高，氫氣分壓可能達到0.1～1 MPa。因此，管線鋼在高壓氫氣環(huán)境中可能存在氫脆的風險。針對我國西部某煤制氣輸氣管道選用管材鋼級高(X80)、管徑大(1 219 mm)，運行壓力高(12 MPa)、管道服役應力高等特點，對該管線用材在含氫煤制天然氣環(huán)境中的氫脆安全性能進行評價研究，有十分重要的意義，同時對其在服役環(huán)境中適用性的研究可為同類管道的設計和維護等提供一定的參考。

本工作通過對X80鋼在含氫煤制氣環(huán)境中進行的慢應變速率試驗(SSRT,簡稱慢拉伸)和缺口拉伸試驗，研究其力學性能變化和拉伸斷口變化規(guī)律。通過對X80鋼強度指標和塑性損失進行計算，同時觀察斷口形貌，獲得X80鋼在含氫煤制氣環(huán)境中的氫脆敏感性變化規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為X80管線鋼，其化學成分為:wC0.070%,wSi0.21%,wMn1.61%,wS0.002 50%,wP0.008 1%,wMo0.13%,wNb0.041%,wNi0.12%,wCu0.14%,wTi0.012%,余量為鐵。按照標準GB/T 228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》測得其屈服強度和抗拉強度分別為605 MPa和669 MPa。X80鋼的金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體彌散分布，且組織分布較為均勻。

1.2 試驗方法

1.2.1 慢應變速率試驗

SSRT參照標準GB/T 15970.7《金屬和合金的腐蝕——應力腐蝕試驗 第七部分：慢應變速率拉伸試驗》進行，試樣尺寸見圖1。試樣采用平行和垂直于鋼板軋制方向的兩種取樣方向，即縱向和橫向取樣，每種取樣方向分別制作三組平行試樣。試驗條件為常溫常壓的空氣環(huán)境和0.96 MPa H2環(huán)境(煤制氣運行壓力12 MPa，其氫氣分壓8%)。試驗在CORTEST慢應變速率應力腐蝕拉伸試驗機上進行，應變速率為1×10-6/s。

圖1 慢應變速率試驗試樣尺寸Fig. 1 Specimen size of SSRT

1.2.2 缺口試樣拉伸試驗

缺口試樣拉伸試驗參照標準ASTM G 142-1998《Standard test method for determination of susceptibility of metals to embrittlement in hydrogen containing environments at high pressure, high temperature of both》進行，試樣尺寸見圖2。取樣方向及試驗條件同1.2節(jié)所述。缺口試樣拉伸試驗在力創(chuàng)慢應變速率拉伸試驗機上進行，應變速率為8×10-4/s。

圖2 缺口拉伸試樣尺寸Fig. 2 Dimensions of the notched specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 慢應變速率試驗結(jié)果

(a) 縱向試樣

(b) 橫向試樣圖3 縱向和橫向試樣在不同環(huán)境中的SSRT曲線Fig. 3 SSRT curves of longitudinal (a) and transversal (b) samples under different conditions

由圖3可見，在含氫環(huán)境中，X80管線鋼試樣的屈服強度和抗拉強度都略低于其在空氣中的。這表明在0.96 MPa氫分壓下，X80管線鋼試樣在單向慢拉伸準靜載狀態(tài)下，表現(xiàn)出一定的氫脆敏感性，其力學性能因受氫脆行為影響有所降低。這一結(jié)果與李超等[3]對高強度管線鋼的氫脆影響研究結(jié)果相一致。同時對比X80鋼橫縱試樣的試驗結(jié)果，縱向試樣在兩種環(huán)境中的拉伸曲線區(qū)別較小，說明橫向試樣受氫脆影響更為嚴重。

由圖4和圖5可見，在空氣中進行慢拉伸時，X80管線鋼的斷口均為韌性斷口，斷口微觀形貌存在典型的延性韌窩，且宏觀形貌有明顯的剪切唇和頸縮現(xiàn)象；而在0.96 MPa氫氣環(huán)境中，X80鋼斷口邊緣出現(xiàn)脆性斷口特征，該區(qū)域的微觀形貌為準解理，準解理狀斷口是脆性斷裂的典型特征[4]，且宏觀形貌表明頸縮量有所減小。該結(jié)果與其他文獻對X70和X80管線鋼的慢拉伸氫脆斷口形貌的研究結(jié)果相吻合[5-7]。出現(xiàn)此現(xiàn)象是因為在高壓氫氣環(huán)境中，部分氫吸附并進入金屬內(nèi)部，由于試樣處于加載狀態(tài)，進入材料內(nèi)部的氫會在應力的誘導作用下向高的三向拉應力區(qū)擴散聚集，當氫含量富集到某一臨界值時，裂紋即過早形核并擴展，從而使材料的塑性下降，表現(xiàn)為試樣出現(xiàn)脆性斷裂的特征[2]。

(a) 空氣 (b) 0.96 MPa氫氣圖4 橫向試樣在不同環(huán)境中的SSRT宏觀形貌Fig. 4Macro-morphology of transversal samples after SSRT in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

(a) 空氣 (b) 0.96 MPa氫氣圖5 橫向試樣在不同環(huán)境中的SSRT微觀形貌Fig. 5 Micro-morphology of transversal samples after SSRT in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

2.2 缺口試樣拉伸試驗結(jié)果

由圖6可見,在高壓氣相氫氣環(huán)境中，處于三向應力狀態(tài)下的缺口試樣的屈服強度和抗拉強度與在空氣中的試驗結(jié)果相比有所下降，表現(xiàn)出一定的氫脆敏感性,且橫向缺口試樣受氫脆影響更敏感,這與SSRT試驗結(jié)果一致。

由圖7和圖8可見,與在空氣環(huán)境中的拉伸結(jié)果相比，缺口試樣在0.96 MPa氫氣環(huán)境中的斷口邊緣出現(xiàn)明顯的脆斷形貌，且宏觀形貌的剪切唇尺寸有所減小。

2.3 討論

分別計算X80管線鋼在空氣和在高壓氫氣中的慢拉伸和缺口拉伸后的斷面收縮率及延伸率等塑性指標，計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

(a) 縱向缺口試樣

(b) 橫向缺口試樣圖6 縱向和橫向缺口試樣在不同環(huán)境中的拉伸曲線Fig. 6 Tension curves of longitudinal notched sample (a) and transversal notched sample (b) in different conditions

(a) 空氣 (b) 0.96 MPa氫氣圖7 橫向缺口試樣在不同環(huán)境中的斷口宏觀形貌Fig. 7 Micro-morphology of fracture of transversal notched samples after tension test in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

式中:ψ為斷面收縮率，S0為拉伸前試樣截面積，S為拉伸后試樣截面積，δ為斷后伸長率，L0為拉伸前標距長度，L為拉伸后標距長度計算,結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見，高壓氫氣環(huán)境使光滑試樣和缺口試樣的塑性都發(fā)生了損失，表現(xiàn)為兩種試樣在0.96 MPa H2環(huán)境中的斷面收縮率和延伸率較其在空氣中的均有不同程度的下降。有研究表明，氣態(tài)氫組分對碳鋼的拉伸強度，延伸率和斷面收縮率等力學性能有顯著的影響。而且從整體角度來看，在兩種環(huán)境中，橫向試樣的塑性損失大于縱向試樣的，這表明高壓氫氣環(huán)境對橫向試樣的塑性下降的影響更為嚴重[8]。

(a) 空氣 (b) 0.96 MPa氫氣圖8 橫向缺口試樣在不同環(huán)境中斷口微觀形貌Fig. 8 Micro-morphology of fracture of transversal notched samples after tension test in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

根據(jù)相關研究，通常用暴露在含氫環(huán)境和非含氫(常溫常壓空氣)環(huán)境中試樣的力學性能之比來評定氫脆敏感性，記為P。

比值偏離越大，則開裂敏感性越高。根據(jù)圖9中的結(jié)果計算試樣在含氫環(huán)境與試樣在常常溫常壓空氣中斷面收縮率和延伸率的平均比值，結(jié)果見圖10。

(a) 光滑試樣斷面收縮率 (b) 缺口試樣斷面收縮率 (c) 光滑試樣延伸率 (d) 缺口試樣延伸率圖9 X80管線鋼分別在空氣和高壓氫氣中進行慢拉伸和缺口拉伸后的塑性指標Fig. 9 Percentage reduction of area and elongation of X80 pipeline steel under different conditions: (a) reduction of area after SSRT, (b) reduction of area after tension test of notched specimens, (c) elongation percentage after SSRT, (d) elongation percentage after tension test of notched specimens

(a) 慢拉伸試驗

(b) 缺口拉伸試驗圖10 X80管線鋼在0.96 MPa氫氣分壓和常溫常壓空氣下的塑性指標的比值Fig. 10 Ratio of plastic index of X80 pipeline steel in hydrogen and air through SSRT (a) and tension test with notched specimens (b)

由圖10可見，試樣在兩種環(huán)境中塑性指標(斷面收縮率和斷后伸長率)的比值均偏離1，表明X80管線鋼在0.96 MPa氫氣分壓環(huán)境中存在氫脆敏感性，即高壓氫組分會增加X80鋼的脆性，從而使其塑性發(fā)生損失。與縱向試樣相比，橫向試樣的塑性指標的比值偏離更大，故橫向試樣對高壓氫氣環(huán)境更為敏感。同時對比兩種試驗的加載方式，缺口試樣拉伸試驗后試樣的塑性指標比值偏離更為顯著。且由圖9可見,試樣在不同試驗環(huán)境中的塑性指標(斷面收縮率和斷后伸長率)也存在顯著差異。這表明高壓氫氣環(huán)境對三向應力集中區(qū)域的影響更為顯著。王毛球等的研究結(jié)果也表明，氫致斷裂與局部最大應力和局部最大可擴散氫濃度有關，應力集中系數(shù)大的試樣對氫更敏感。

3 結(jié)論

(1) 在0.96 MPa氫氣分壓環(huán)境中，X80管線鋼表現(xiàn)出一定的氫脆敏感性，且橫向試樣對氫脆更為敏感。

(2) 與常溫常壓空氣環(huán)境中的拉伸斷口呈延性韌窩形貌相比，在0.96 MPa氫氣環(huán)境中進行的拉伸試驗，試樣斷口由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，且剪切唇和頸縮現(xiàn)象減弱,同時斷面收縮率及延伸率減小，塑性指標比值偏離1，呈現(xiàn)韌性損失。

(3) 與單軸慢應變拉伸狀態(tài)相比，高壓氫氣環(huán)境對缺口試樣所處的三向應力集中狀態(tài)區(qū)域的影響更為顯著。

[1] 鄭磊,傅俊巖. 高等級管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 鋼鐵,2006,41(10):203-216.

[2] 褚武揚,喬利杰,李金許,等. 氫脆和應力腐蝕開裂[M]. 第1版. 北京:科學出版社,2013:243-250.

[3] 李超,杜翠薇,劉志勇,等. X100管線鋼在酸性土壤模擬溶液中的應力腐蝕行為[J]. 腐蝕科學與防護技術,2012,24(4):327-331.

[4] MCMAHON J C J. Hydrogen-induced intergranular fracture of steels[J]. Engineering Fracture Mechanics,2001,68:773-788.

[5] 趙穎,王榮. X70管線鋼電化學充氫后的力學行為研究[J]. 腐蝕與防護學報,2004,24(5):293-296.

[6] 張士歡,王榮. X80管線鋼不同電化學充氫狀態(tài)下的斷裂特性[J]. 腐蝕與防護,2009,30(3):172-177.

[7] 楊耀東,魯曠達,曹文海,等. X70鋼和X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的氫脆敏感性[J]. 腐蝕與防護,2015,36(9):180-183.

[8] LAM P,ANDREW D A,ROBERT S R,et al. Literature survey of gaseous hydrogen effects on the mechanical properties of carbon and low alloy steels[J]. Journal of Pressure Vessel Technology,2009,131(4):501-517.

Susceptibility of X80 Pipeline Steel to Hydrogen Embrittlement in Coal Gas Environment Containing Hydrogen

JIN liguo1, XING Yunying2

(1. Petrochina West Pipeline Company, Urumqi 660008, China; 2. Safetech Research Institute (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100083, China)

The hydrogen embrittlement (HE) susceptibility of X80 steel in coal gas environment containing hydrogen was evaluated by slow strain rate test (SSRT), tension test of notched specimens and fracture morphology observation. The results show that HE susceptibility of X80 pipeline steel was increased in high-pressurized hydrogen environment, as the strength and plasticity both dropped. And the transverse direction was more sensitive to HE. Comparing the ratios of plastic index in high-pressurized hydrogen and atmospheric pressurized air, the loss of ductility was produced both in SSRT and in tension test of notched specimens, and the region in three-dimensional stress was subjected to a greater impact of hydrogen embrittlement.

X80 steel; slow strain rate test (SSRT); tension test of notched specimen; hydrogen embrittlement

10.11973/fsyfh-201705009

2016-10-08

邢云穎(1988-),碩士,從事管道腐蝕與控制的相關工作,13811916468,xingyy@ankosri.com

TG172.4

A

1005-748X(2017)05-0361-04