不同电化学充氢状态下X70、X80管线钢的断裂特性

X70、X80高级管线钢主要用于油气田管道,如果长期在常温高压（压力最高可达25 MPa）的氢环境中使用,极有可能会出现氢脆现象,进而引发脆性破坏事故。本文通过对X70、X80两种管线钢的静态和动态电化学充氢试验,对两种管线钢在不同充氢状态下的氢含量等进行了分析,并详细讨论了其断口形貌。     

X80管线钢不同电化学充氢状态下的断裂特性

采用拉伸和慢拉伸试验,研究了X80管线钢在静态充氢与慢拉伸动态充氢条件下的断裂特性.结果表明:在静态充氢条件下,当充氢电流密度小于12.5 mA/cm2时,材料的断裂韧性随电流密度的增加而增加,当电流密度大于该值时,随电流密度增加,材料的断裂韧性呈下降趋势;在慢拉伸动态充氢条件下,随电流密度的增加,材料的断裂韧性显著降低,并满足一定的函数关系.静态充氢试样断口主要呈韧窝特征,但与未充氢试件比较,韧窝的尺寸变小,数量变多;慢拉伸动态充氢试样断口呈现解理形貌.     

不同管线钢在电化学充氢状态下的断裂性能

通过对Q235和TP80CQJ两种材料进行静态电化学试验,对其在充氢和未充氢条件下的氢含量、抗拉强度、断面收缩率、伸长率进行分析,并分析其断口形貌。试验发现,Q235和TP80CQJ管线钢在电化学充氢状态下,吸氢质量分数分别为2.162×10-6和2.180×10-6,充氢使Q235和TP80CQJ钢的强度及塑性均下降,脆性增加。     

四种管线钢在电化学充氢状态下的特性

石油、天然气管道输送多采用高压输送方式。输送管线在服役过程中,因腐蚀、阴极保护和输送的石油、天然气中含有少量的H2S等环境因素,氢不可避免地会渗入管线材料内,产生氢损伤氢脆,导致材料性能降低。文章通过动态电化学实验对四种材料充氢条件下氢含量、抗拉强度、断面收缩率、延伸率以及相应的材料断口形貌进行了分析。结果表明:四种材料中,Q 2 3 5钢的强度低,而N 8 0和P 11 0钢的强度高;当慢应变速率为1 0-6/s时,Q 2 3 5、T P 8 0 C Q J、N80和P110钢表现出不同的硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）敏感性;同时发现四种材料断裂的微观机制以解理小平面断裂为主要特征,当应变速率降低时,解理平面的面积增大,并出现明显的二次裂纹。     

电化学充氢条件下氢对X80级管线钢力学性能的影响

应用慢应变速率拉伸试验和扫描电镜(SEM),研究了X80管线钢电化学充氢后的力学性能和断口形貌变化。结果表明:随着充氢电流密度的增大,X80钢中的可扩散氢含量增加,造成伸长率、断面收缩率和冲击吸收能量不断减少,拉伸断口的韧窝变小、变浅,而空洞会增大、增多,空洞边缘出现准解理形貌;电流密度低于5 m A/cm2时,X80钢表面以及其冲击断口无裂纹;电流密度增加至5 m A/cm2以后开始出现裂纹,并且随着电流密度的增加,裂纹开始增大、增多;当电流密度为10 m A/cm2时,冲击断口中出现准解理形貌。     

X70管线钢电化学充氢后的力学行为研究

应用拉伸试验和慢拉伸试验，研究X70管线钢电化学充氢后材料拉伸性能的变化．结果表明：电化学充氢对X70管线钢的强度没有显著的影响，主要降低了材料的塑性，从而降低了材料的断裂延性和断裂强度．在静态电化学充氢条件下，材料的塑性随充氢时间的增加，依次降低．在慢拉伸条件下，动态电化学充氢显著降低材料的塑性．断口分析表明：静态电化学充氢后的断口以韧窝为主要特征，但韧窝直径变小；慢拉伸的动态电化学充氢断口出现准解理断裂．     

电化学充氢条件下X70管线钢及其焊缝的氢致开裂行为

采用电化学充氢的方法研究了X70管线钢在不同浓度硫酸溶液中的氢致开裂(HIC)行为．结果表明,增大充氢电流密度、延长充氢时间以及降低充氢溶液的pH值能够促进氢进入X70钢基体．微观观察表明,X70钢中的非金属夹杂物如氮化物和氧化物等对其氢致开裂行为有不同的影响,氮化物夹杂并不是充氢裂纹的必然形核位置,而Mg,Al,Ca等的氧化物是更为有害的氢致裂纹源．通过氢渗透实验测得室温下氢在X70钢中的有效扩散系数为3．34×10-9cm2／s．对XT0管线钢基体及焊缝试样电化学预充氢后拉伸,焊缝试样的拉伸塑性较差,各项塑性指标在充氢前、后均低于X70钢基体材料．     

X70和X80管线钢的电化学腐蚀行为

通过极化曲线和交流阻抗谱测试以及OM表面腐蚀形貌观察、SEM和TEM的组织观察,研究了Cl-和SO42-离子对X70和X80两种管线钢腐蚀过程的作用机理与规律。结果表明：Cl-有强穿透性,极易引起点蚀,两种钢的自腐蚀电流密度都随着Cl-浓度的增大而增大,点蚀和全面腐蚀也随之进一步加剧,X70钢在较低浓度的NaCl溶液中出现全面腐蚀和点蚀,X80钢仅在高浓度NaCl溶液中出现明显的点蚀,且在各种不同浓度溶液中腐蚀程度均没有X70钢严重。SO42-在金属表面吸附能力比Cl-强,少量SO42-在金属表面的吸附,造成Cl-的局部含量高,更易引起点蚀,而大量SO42-在金属基体表面覆盖,能阻碍Cl-的影响。X80钢比X70钢有更强的耐腐蚀性,X70钢对SO42-和Cl-的作用更为敏感。     

高强度管线钢电化学充氢行为

通过对X70、X80高强度管线钢在0.5 mol/L H2SO4溶液中进行电化学充氢,应用排油集气法研究了氢在这两种钢中的扩散行为。结果表明,在一定的充氢电流密度下管线钢吸收氢存在一个稳定的扩散氢浓度,该氢浓度与充氢电流密度的平方根呈线性关系。管线钢吸收可扩散氢的浓度随钢的强度提高而升高。     

N80管线钢电化学充氢后的力学行为研究

采用静态电化学充氢,研究了N80管线钢在不同充氢时间和充氢电流密度下的可扩散氢含量,分析了充氢后力学性能的变化,确定了充氢饱和时间和氢脆指数,并用扫描电镜对其断口形貌进行分析。研究表明:静态充氢后,N80材料的氢脆指数为0.662,充氢饱和时间为60 h;断面收缩率、断后伸长率、抗拉强度和屈服强度均减小;断口韧窝变小、变浅,数量减少;扩散氢含量随充氢时间和电流密度的增大而增加。     

电化学充氢条件下管线钢焊接接头对氢的吸收能力分析

采用电化学的方法研究X65管线钢母材及其高频电阻焊(high-frequency welding-HFW)焊缝对电化学充氢的吸收能力. 结果表明,随着充氢时间的增加,母材和焊缝中的扩散氢的含量有着一样的变化趋势,先升高然后降低达到稳定值,但是焊缝中的扩散氢含量最高值4.11×10-5mol/cm3、稳定值2.96×10-5mol/cm3均高于母材的4.02×10-5mol/cm3和2.78×10-5mol/cm3,所以焊缝对电化学充氢有着更高的敏感性. 这是因为材料的晶粒尺寸和晶界面积对氢在其中的扩散吸收有着极其重要的作用,同时,相比于X65管线钢母材,焊缝中珠光体与铁素体的显微硬度差值更大,这为氢提供了有效的扩散路径.     

X80管线钢的氢脆性能

制备了单边缺口拉伸(SENT)试样,在0.5 mol/L H2SO4+3 g/L NH4SCN溶液中,以10 mA/cm2的电流密度充氢4 h,采用拉伸试验和三点弯曲试验考察了氢脆对X80管线钢断裂韧性的影响.结果显示:充氢SENT试样的断裂韧性和承载力显著低于母材SENT试样的,使用三点弯曲试验测定的断裂韧性结果较为...     

氢对X70管线钢预裂纹试样断裂性能的影响

将X70管线钢单边预裂纹试件在0.5 mol/L H2SO4 溶液中充氢至饱和,然后在空气中拉伸至断裂,获得裂纹体的条件断裂韧性.当固溶氢含量<0.978×10-4mass%时,氢使裂纹体断裂韧性提高11.8%;固溶氢含量>0.978×10-4 mass%时.裂纹体断裂韧性随氢含量线性降低;断裂特征为典型的韧窝断口,但韧窝直径随氢含量的增加逐渐变小.在动态充氢条件下进行慢应变速率拉伸实验,氢使裂纹体断裂韧性显著降低,裂纹体断裂韧性随充氢电流密度I 的幂函数而线性降低.断裂特征为典型的准解理断口.     

电化学充氢对X80管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中应力腐蚀行为的影响

采用电化学技术、慢应变速率拉伸实验和扫描电镜(SEM)对电化学充氢后的X80管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中的应力腐蚀行为进行了研究。结果表明：X80管线钢静态充氢后在鹰潭土壤模拟溶液中具有较高的应力腐蚀(SCC)敏感性,其断口模式为穿晶断裂;随着电化学充氢时间的延长,氢致塑性损失不断增加,拉伸断口由韧窝状韧性断口向脆性解理断口发展,SCC敏感性增大;电化学充氢促进了点蚀坑的萌生,点蚀坑和第二相夹杂是SCC裂纹萌生的重要原因。     

交流电干扰下X80管线钢的腐蚀电化学行为

采用腐蚀电位、动电位极化曲线和微观形貌观察等方法研究交流电干扰对X80管线钢的腐蚀电化学行为影响,采用扫描电镜观测了试样表面腐蚀产物和腐蚀微观形貌。研究结果表明交流电干扰使X80管线钢的腐蚀电位向负方向偏移,随交流电密度的增大,X80管线钢的阳极溶解速率增大,腐蚀产物疏松,腐蚀形态由均匀腐蚀逐渐向局部腐蚀转变。由于交流电的整流效应、交变电场作用以及点蚀的自催化效应等综合作用,交流电干扰管线钢的腐蚀速率加快。     

X80管线钢氢致开裂研究

通过电化学充氢法研究了X80管线钢氢致裂纹(HIC)的种类及开裂特征,探讨了氢致开裂规律,对X80管线钢的氢致开裂影响因素进行了分析.结果表明:随充氢时间的延长和电流密度的增大,氢鼓泡的密度逐渐增大,体积先增大后趋于稳定;形成的氢致裂纹主要呈阶梯状,由直线型裂纹和“S型裂纹”组成,多以穿晶方式扩展,裂纹尖端沿着晶界萌生;X80管线钢中的带状组织是氢致裂纹萌生和扩展的聚集场所;非金属夹杂物是氢致裂纹萌生的裂纹源,其中较大尺寸的A1和Si的氧化物易于诱发“S型裂纹”形成,对管线钢抗氢致开裂的敏感性有很大影响.     

X80管线钢红壤腐蚀初期电化学行为

通过室内土壤埋样实验,采用电化学阻抗谱(EIS)和极化技术研究了X80管线钢在红壤泥浆中的早期腐蚀行为。结果表明,X80管线钢在水饱和红壤中腐蚀初期(15 d内)的EIS具有两个时间常数特征,高频端呈现土壤介质特征容抗弧,10-2~104Hz频区为腐蚀界面反应过程对应的容抗弧,低频区(<10-2)为点蚀形核期产生的感抗弧;腐蚀30 d后电极反应过程受扩散过程控制。提出了红壤对管线钢的高腐蚀性与红壤铁氧化物间的关联。     

X70管线钢不同温度下断裂韧性实验研究

以三维弹塑性断裂理论为基础，对有限厚度板裂纹端部应力场、三维应力约束进行了分析，通过对不同厚度、不同初始裂纹长度在不同温度下三点弯曲试件的断裂韧性测试断口观测和理论分析获得如下结果：离面约束对裂尖应力场及断裂韧性有强烈的影响；断口均产生分层裂纹，其位置、大小和数量与试样厚度、温度和裂纹初始长度有关；温度较低时，分层裂纹距主裂纹根部一定距离，分层裂纹宽度较小，对厚度效应影响较小；温度较高时，分层裂纹首先出现在主裂纹根部，分层裂纹宽度较大且充分张开，降低了试样的有效厚度，对X70管线钢进行性能评价时必须考虑管道壁厚、层裂和环境温度的耦合作用。     

X70管线钢在模拟近中性土壤介质中的电化学特性

研究了X70管线钢在模拟近中性土壤介质中的电化学行为.结果表明：模拟近中性土壤介质中溶解的CO2会显著加速X70管线钢的腐蚀速度；阴极过程存在H+和H2O以及H2CO3、HCO-3的还原反应；但以HCO-3和H2CO3的还原为主，H+的还原反应不占主导因素.       

X80管线钢钝化膜的光电化学性能

利用电容测试法和光电流技术研究了X80管线钢在NaHCO3/Na2CO3缓冲溶液中所成钝化膜的半导体性能和光电流特性,分析了成膜电位、成膜时间、Cl-浓度,溶液pH值以及成膜温度等因素对膜光电流响应的影响.结果表明,X80管线钢钝化膜的Mott-Schottky直线部分的斜率和光电流均为正,表明钝化膜呈现n型半导体特性.随着成膜电位的增加、成膜时间延长、溶液pH值升高、成膜温度及溶液中Cl-浓度的减小,Mott-Schottky直线部分的斜率和光电流响应均呈增大趋势,表明钝化膜内施上密度减小.