不同應(yīng)力三軸度下電化學(xué)充氫對X80管線鋼性能影響*

封 輝，朱興華

（1.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，西安 710077； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710077； 3.煙臺魯寶鋼管有限責(zé)任公司，山東 煙臺 264000）

0 前 言

管道輸送是一種經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)現(xiàn)天然氣長距離輸送的方式，近年來，隨著我國天然氣管道建設(shè)及運(yùn)營里程不斷增加，管道輸送技術(shù)得到了快速發(fā)展。但由于天然氣管道服役環(huán)境復(fù)雜，部分輸氣介質(zhì)含硫化氫等酸性組分或天然氣氫氣混合輸送，輸氣管道面臨氫脆失效風(fēng)險(xiǎn)[1-3]；另一方面，管道金屬材料與周圍介質(zhì)接觸時(shí)，會發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，也會導(dǎo)致管道材料金屬缺失或氫脆現(xiàn)象[4-5]。研究人員對油氣輸送用管線鋼的氫脆現(xiàn)象及適用性評價(jià)做了大量研究，趙穎[6]研究了X70 管線鋼充氫后力學(xué)行為的變化，結(jié)果表明，充氫對X70管線鋼的強(qiáng)度沒有顯著的影響，主要降低了材料的塑性，從而降低了材料的斷裂延性和斷裂強(qiáng)度；Cheng等[7]研究發(fā)現(xiàn)在電化學(xué)充氫條件下，富Si和富Al的氧化物先于MnS 夾雜萌生氫致裂紋，并且氫致裂紋極易在氧化鋁夾雜間擴(kuò)展；陳富強(qiáng)[8]采用電化學(xué)方法測試了不同溫度下氫在X80管線鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，認(rèn)為在較高的溫度下，材料內(nèi)部氫含量較高，氫脆敏感性大。

管線鋼的氫脆現(xiàn)象及機(jī)理已有較多研究[1,9,10]，但對于含缺陷管道，管道材料在缺陷位置應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在該條件下氫對管線鋼材料性能影響規(guī)律報(bào)道較少。本研究采用缺口拉伸試樣模擬含缺陷管道應(yīng)力狀態(tài)，研究氫對X80 管線鋼性能的影響，以期為輸氣管道安全運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用X80鋼級Φ1 422 mm×25.7 mm直縫埋弧焊管，化學(xué)成分見表1，微觀組織如圖1 所示。由圖1可以看出，其微觀組織主要由針狀鐵素體組成，晶粒尺寸較小，針狀鐵素體寬度為2 mm左右，晶粒度約為11級。

圖1 試驗(yàn)用X80管線鋼微觀組織

表1 試驗(yàn)用X80管線鋼管化學(xué)成分 %

1.2 不同應(yīng)力三軸度拉伸試驗(yàn)

在管體與焊縫夾角180°的位置加工棒狀拉伸試樣，試樣標(biāo)距50 mm，標(biāo)距段試樣直徑8.9 mm，試樣尺寸如圖2 所示。棒狀拉伸試樣在標(biāo)距中心位置加工不同尺寸缺口，得到不同應(yīng)力三軸度拉伸試樣，對應(yīng)關(guān)系見表2。拉伸試驗(yàn)依據(jù)ASTM A370 在UTM5305 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸應(yīng)變速率為2×10-5s-1。

圖2 棒狀拉伸試樣尺寸示意圖

表2 不同應(yīng)力三軸度的試樣缺口尺寸

1.3 電化學(xué)充氫試驗(yàn)

不同應(yīng)力三軸度拉伸試樣加工完成后在0.5 mol/L H2SO4溶液中進(jìn)行電化學(xué)充氫，電流密度50 mA/cm2，充氫試驗(yàn)分別為0 h、8 h、24 h，通過排氣法測得試樣中氫的體積分?jǐn)?shù)分別為0%、0.000 16%、0.000 25%。充氫后試樣立即進(jìn)行空氣環(huán)境拉伸試驗(yàn)，研究不同應(yīng)力三軸度條件下氫對X80 管線鋼拉伸性能影響。采用JEM-ARM200F 型電子掃描顯微鏡對應(yīng)力三軸度分別為1.02 和1.25 的充氫與未充氫缺口拉伸試樣斷口進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 η=1.02試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 為不同充氫條件下X80 管線鋼應(yīng)力三軸度η=1.02 試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，隨著氫含量的不斷增加，X80管線鋼抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。表3 為不同充氫條件下試樣抗拉強(qiáng)度對比，可以看出，隨充氫時(shí)間延長，X80管線鋼最大載荷降低，抗拉強(qiáng)度降低，當(dāng)充氫8 h 后，抗拉強(qiáng)度為988.2 MPa，與未充氫試樣相比降低了約1.3%；當(dāng)充氫24 h 后，抗拉強(qiáng)度為935.1 MPa，與未充氫試樣相比降低約6.6%，說明充氫環(huán)境降低X80管線鋼缺口抗拉強(qiáng)度。

圖3 不同充氫條件下η=1.02試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 不同充氫條件下η=1.02試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為研究充氫條件對X80 管線鋼塑性損失的影響，計(jì)算不同充氫條件下X80 管線鋼在應(yīng)力三軸度η=1.02 條件下的斷面收縮率，結(jié)果分別為59.8%、56.5%和53.1%?？梢钥闯觯錃洵h(huán)境降低了X80 管線鋼缺口試樣斷面收縮率。圖4為未充氫及充氫24 h 條件下X80 管線鋼應(yīng)力三軸度η=1.02 試樣拉伸斷口宏觀及微觀形貌，可以看出，充氫前后缺口拉伸試樣芯部位置斷口均為韌窩撕裂為主的韌性斷裂，但充氫后的試樣斷口更加平齊。

圖4 充氫前后η=1.02試樣拉伸斷口形貌

2.2 η=1.25試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖5 為不同充氫條件下X80 管線鋼應(yīng)力三軸度η=1.25 試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖5可以看出，隨著氫含量的不斷增加，X80 管線鋼抗拉強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)下降趨勢；表4 為不同充氫條件下的抗拉強(qiáng)度對比，從表4 可以看出，隨充氫時(shí)間的延長，X80 管線鋼的最大載荷降低，抗拉強(qiáng)度降低，當(dāng)充氫8 h 后，抗拉強(qiáng)度為1 089.1 MPa，與未充氫試樣相比抗拉強(qiáng)度降低了約5.5%；當(dāng)充氫24 h 后，抗拉強(qiáng)度為1 038.5 MPa，與未充氫試樣相比降低約9.9%，說明充氫環(huán)境降低了X80 管線鋼缺口試樣抗拉強(qiáng)度。

圖5 不同充氫條件下η=1.25試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 不同充氫條件下η=1.25試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算不同充氫條件下X80 管線鋼在應(yīng)力三軸度η=1.25 條件下的斷面收縮率，計(jì)算結(jié)果分別為62.8%、55.7%和50.7%。從結(jié)果可以看出，充氫環(huán)境會降低X80 管線鋼缺口試樣斷面收縮率。圖6 為未充氫及充氫24 h 條件下X80管線鋼應(yīng)力三軸度η=1.25 試樣拉伸斷口宏觀及微觀形貌。從圖6 可以看出，缺口拉伸試樣斷口均為韌窩撕裂為主的韌性斷裂。電化學(xué)充氫后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并未顯著改變X80 管線鋼斷口形貌，與試樣斷面收縮率結(jié)果相符合。

圖6 充氫前后η=1.25試樣拉伸斷口形貌

3 討 論

由圖3 和圖5 可知，對于應(yīng)力三軸度為1.02及1.25的缺口拉伸試樣，隨充氫時(shí)間的延長，抗拉強(qiáng)度略有下降，但下降幅度較小。通常認(rèn)為，電化學(xué)充氫對拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度影響較小，大量不同材料的光滑圓棒慢拉伸試驗(yàn)也得到了相似的結(jié)果[6,11-12]。但在本研究中，試樣為缺口拉伸試樣，變形位置存在一定程度應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度略有降低。另一方面，在電流密度為50 mA/cm2的電化學(xué)充氫條件下，試樣表面可能出現(xiàn)了包括微裂紋在內(nèi)的不可逆氫損傷，在一定程度上導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度的降低。

充氫后的拉伸試樣斷口主要為韌窩撕裂特征，微觀形貌上可以觀察到橢圓狀的空洞，這些空洞的形成可能是由于夾雜物作為氫的陷阱，原子氫在夾雜與基體的界面上富集，在隨后的拉伸過程中，由于夾雜處的應(yīng)力集中，可擴(kuò)散的氫原子繼續(xù)向夾雜處富集，直至韌窩斷裂，上述斷口形貌與張穎瑞等[5]研究結(jié)果一致。劉玉等[4]采用電化學(xué)充氫過程中原位慢拉伸試驗(yàn)方法研究X80管線鋼氫脆敏感性，拉伸變形過程中環(huán)境介質(zhì)中氫離子持續(xù)轉(zhuǎn)化為氫原子并向缺陷處富集，斷口觀察到解理斷裂特征。本研究關(guān)注X80管線鋼不同應(yīng)力三軸度試樣電化學(xué)充氫后進(jìn)行拉伸性能變化，變形過程中缺陷處富集的氫主要來源于電化學(xué)充氫后進(jìn)入試樣的氫，與原位慢拉伸中充氫環(huán)境存在差異，因此斷口形貌與原位慢拉伸不同。

已有研究表明，試樣的應(yīng)力狀態(tài)可以影響氫在材料內(nèi)部的擴(kuò)散[13-15]。本研究發(fā)現(xiàn)，在電流密度同為50 mA/cm2、充氫8 h 條件下，應(yīng)力三軸度由1.02 升高到1.25，材料抗拉強(qiáng)度降低幅度由1.3%升高至5.5%；充氫24 h 條件下，材料抗拉強(qiáng)度降低幅度隨應(yīng)力三軸度升高，由6.6%升高至9.9%。由此可知，管線鋼材料的初始應(yīng)力三軸度在充氫條件下對拉伸性能有較大影響，初始應(yīng)力三軸度越大，應(yīng)力集中程度越高，氫更容易在材料內(nèi)部擴(kuò)散聚集，材料的抗拉強(qiáng)度越低。

4 結(jié) 論

（1）在電流密度為50 mA/cm2電化學(xué)充氫條件下，隨著氫含量的增加，X80管線鋼拉伸性能降低。對于初始應(yīng)力三軸度相同的試樣，隨充氫時(shí)間延長，材料的缺口試樣抗拉強(qiáng)度降低。

（2）對于X80管線鋼在電流密度50 mA/cm2、充氫8 h 條件下，缺口拉伸試樣初始應(yīng)力三軸度由1.02 升高到1.25，材料抗拉強(qiáng)度降低幅度由1.3%升高至5.5%；充氫24 h 條件下，材料抗拉強(qiáng)度降低幅度隨應(yīng)力三軸度升高由6.6%升高至9.9%。綜上，管線鋼材料的初始應(yīng)力三軸度在充氫條件下對拉伸性能有較大影響，初始應(yīng)力三軸度越大，應(yīng)力集中程度越高，氫更容易在材料內(nèi)部擴(kuò)散聚集，材料的抗拉強(qiáng)度越低。