深水油氣裝備材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性研究*

余朋偉,張寧恩,惠海鋒,周小明,田占川,尚 卓

(1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司,陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

材料腐蝕給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成很大的損失。就腐蝕的失效形式來(lái)看，危害最嚴(yán)重的是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，約占腐蝕失效案例的40%。金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)環(huán)境協(xié)同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，就是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。金屬材料發(fā)生開(kāi)裂前，并沒(méi)有明顯的塑性變形，是突然發(fā)生的開(kāi)裂，因此應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂很難預(yù)防，是一種危險(xiǎn)程度很高的破壞形式。對(duì)于長(zhǎng)期在海水中工作的海洋油氣裝備，腐蝕會(huì)導(dǎo)致油氣泄漏，造成巨大的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。為降低腐蝕帶來(lái)的安全隱患，就必須要對(duì)深水裝備所用材料進(jìn)行腐蝕研究，特別是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)研究，選取最優(yōu)材料抑制應(yīng)力腐蝕的發(fā)生[1-3]。

1 極化狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

油氣裝備在深海工作時(shí)，為了減緩其腐蝕，經(jīng)常采取陰極保護(hù)。合理的陰極保護(hù)能提高裝備抑制應(yīng)力腐蝕的能力，但是對(duì)于有氫致開(kāi)裂傾向的材料，陰極保護(hù)則可能增大應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，因此在極化狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究就顯得非常有必要。采用慢應(yīng)變速率拉伸方法(SSRT)進(jìn)行試驗(yàn)，即把試樣放在特定的腐蝕環(huán)境中，連接到慢拉伸速率試驗(yàn)儀器上，讓儀器保持著一個(gè)緩慢而又恒定的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，直到試樣被拉斷為止，整個(gè)過(guò)程對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行記錄[4]。

在空氣、海水和海水同時(shí)外加陰極保護(hù)三種條件下,分別對(duì)合金鋼4130、低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205三種材料制作的拉伸試樣進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)。拉伸后用視頻顯微鏡觀察斷口形貌，利用應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂時(shí)間、斷口形貌、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率等指標(biāo)對(duì)三種材質(zhì)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性進(jìn)行評(píng)估[5]。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)裝置為L(zhǎng)ETRY WDW-100KW拉伸儀、CS350電化學(xué)工作站和3R Anyty視頻顯微鏡。慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，空氣中試驗(yàn)溫度為室溫，溶液中試驗(yàn)溫度為3 ℃；試驗(yàn)材料為合金鋼4130，低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205三種材質(zhì)制作的拉伸樣條，試樣的尺寸見(jiàn)圖1，拉伸速率取0.03 mm/min，試驗(yàn)在空氣、海水及海水同時(shí)外加陰極極化三種條件下分別進(jìn)行。在外加電流下進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸時(shí)，以拉伸樣條為工作電極，以飽和甘汞電極作參比電極,以鉑電極為輔助電極。拉伸開(kāi)始前先極化0.5 h，待極化電位穩(wěn)定后開(kāi)始拉伸，并在整個(gè)拉伸過(guò)程中保持陰極極化。各材料陰極極化電位采用原則：(1)通過(guò)前期電化學(xué)性能分析確定的最佳保護(hù)電位；(2)某深水油氣裝備前期研究確定的采油樹(shù)材料與犧牲陽(yáng)極連接后進(jìn)行陰極保護(hù)時(shí)的保護(hù)電位。試樣斷裂后，用視頻顯微鏡觀察斷口形貌，放大倍數(shù)為120倍[6-10]。

圖1 慢應(yīng)變速率拉伸樣條尺寸

表1 三種采油樹(shù)材料的陰極保護(hù)電位

2 結(jié)果與討論

2.1 合金鋼4130

拉伸試樣在空氣、海水、海水(-851 mV)、海水(-880 mV)等試驗(yàn)條件下合金鋼4130試樣的慢拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)四種試驗(yàn)條件下試樣的應(yīng)力變化趨勢(shì)無(wú)明顯差異。從圖3斷裂點(diǎn)的應(yīng)變大小可知，在海水中外加陰極極化條件下，試樣最先發(fā)生斷裂，在空氣中拉伸的試樣最后斷裂。

圖2 4130試樣慢拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 4130拉伸斷裂試樣

合金鋼4130試樣在不同試驗(yàn)條件下的斷口形貌見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),四種條件下試樣的斷面均未觀察到二次裂紋。試樣在空氣中拉伸，其斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象，是典型塑性斷裂斷口特征，而海水中試樣和海水中同時(shí)外加陰極極化條件下試樣的斷口均存在脆性斷裂特征。

圖4 4130試樣拉伸斷裂的斷口形貌 120×

合金鋼4130試樣在不同試驗(yàn)條件下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，相對(duì)于海水中未經(jīng)陰極保護(hù)的試樣，在海水中-851 mV陰極極化電位下試樣的抗拉強(qiáng)度下降了0.66%，延伸率下降1.2%，斷面收縮率下降9.9%；-880 mV陰極極化電位下試樣的抗拉強(qiáng)度下降1.99%，延伸率下降3.2%，斷面收縮率下降17.4%。說(shuō)明陰極極化增大了海水中合金鋼4130的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。

表2 4130試樣慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低合金鋼Q345D

低合金鋼Q345D試樣在空氣、海水及海水中外加-870 mV、-880 mV陰極極化條件下作慢應(yīng)變速率拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn),在彈性變形階段4條曲線的變化趨勢(shì)基本一致；在塑性變形階段，在空氣中拉伸曲線最高點(diǎn)應(yīng)力最大，拉伸持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。海水中外加-880 mV陰極極化條件下曲線的最高點(diǎn)應(yīng)力最小，率先發(fā)生斷裂。

圖5 Q345D試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

低合金鋼Q345D拉伸試樣在不同條件下的拉伸斷裂見(jiàn)圖6，不同條件下的拉伸斷裂試樣的斷口形貌見(jiàn)圖7。由圖7看出三種條件下試樣的斷口特征大致相同，在海水及海水中外加陰極極化條件下的試樣斷口有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，各試樣斷面上均未發(fā)現(xiàn)二次裂紋。

圖6 拉伸斷裂試樣

圖7 Q345D拉伸斷裂的斷口形貌 120×

低合金鋼Q345D試樣在不同試驗(yàn)條件下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，海水中外加-870 mV陰極極化電位后，與海水中未進(jìn)行陰極保護(hù)的試樣相比，延伸率降低0.3%，斷面收縮率減小0.8%，抗拉強(qiáng)度下降2.66%；-880 mV 陰極極化電位下試樣的抗拉強(qiáng)度下降5.32%，延伸率減小0.3%，斷面收縮率下降 1.4%。說(shuō)明陰極極化一定程度上增大了海水中低合金鋼Q345D試樣的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。

表3 Q345D試樣慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 雙相不銹鋼2205

雙相不銹鋼2205試樣在空氣、海水及海水中外加-621 mV、-880 mV陰極極化條件下慢應(yīng)變速率拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖8。試樣在空氣及海水中拉伸曲線變化趨勢(shì)大致相同，而海水中外加-621 mV陰極極化條件下，曲線的最高點(diǎn)應(yīng)力最小，拉伸的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。

圖8 2205試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

雙相不銹鋼2205拉伸試樣在空氣、海水、海水(-621 mV)、海水(-880 mV)不同條件下的拉伸斷裂試樣見(jiàn)圖9，上述試驗(yàn)條件下雙相不銹鋼2205試樣的斷口形貌見(jiàn)圖10。在不同的試驗(yàn)條件下，試樣的斷口特征差別不大，均出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，斷面上無(wú)二次裂紋產(chǎn)生，為塑性斷裂斷口。

圖9 拉伸斷裂試樣

圖10 2205拉伸斷裂后的斷口形貌 120×

雙相不銹鋼2205試樣在不同試驗(yàn)條件的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，相較于海水中無(wú)陰極極化條件下，-621 mV的陰極極化電位下的試樣除抗拉強(qiáng)度有所降低(0.6%)外，延伸率增大1.3%，斷面收縮率增加0.2%。在-880 mV陰極極化電位下，延伸率減小4.7%，斷面收縮率降低19.9%，而抗拉強(qiáng)度僅降低0.15%。說(shuō)明 -621 mV 陰極極化一定程度上降低了雙相不銹鋼2205在海水中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，而-880 mV陰極極化則增大其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。

表4 2205試樣慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)水下油氣裝備材料慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)所得應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂時(shí)間、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率等指標(biāo)分析認(rèn)為：

(1)在海水環(huán)境中，對(duì)合金鋼4130，低合金鋼Q345D，雙相不銹鋼2205三種材質(zhì)試樣施加陰極保護(hù)電位顯示出不同的效果，最佳(或最小)陰極保護(hù)電位下，陰極極化一定程度上使合金鋼4130，低合金鋼Q345D的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性升高，使雙相不銹鋼2205的應(yīng)力腐蝕敏感性降低。

(2)在Al-Zn-In-Sn陽(yáng)極提供的保護(hù)電位(-880 mV)下，合金鋼4130，低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性均略微升高。

(3)對(duì)各拉伸試樣斷面進(jìn)行顯微形貌觀察發(fā)現(xiàn)，陰極極化并未導(dǎo)致試樣產(chǎn)生二次裂紋，說(shuō)明該三種材料在陰極極化導(dǎo)致的性能下降尚在可接受范圍內(nèi)。

(4)在進(jìn)行深水油氣裝備材料選擇時(shí)，不僅應(yīng)考慮綜合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用壽命及環(huán)境等因素，還應(yīng)充分考慮材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性和腐蝕機(jī)理，以保證產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的可靠性。