應(yīng)變速率對(duì)X80管線鋼應(yīng)力腐蝕的影響

程 遠(yuǎn)，俞宏英，王 瑩，孟 旭，孫冬柏

（1北京科技大學(xué) 國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，北京100083；2北京科技大學(xué) 腐蝕與防護(hù)中心 表面科學(xué)與技術(shù)研究所，北京 100083）

隨著石油天然氣需求量的不斷增加，安全運(yùn)輸開始受到廣泛關(guān)注。高級(jí)別管線鋼可以在保證安全的基礎(chǔ)上降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，高級(jí)別管線鋼已成為管線鋼發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)［1－3］。

管線鋼應(yīng)力腐蝕是長(zhǎng)輸管線的主要失效形式之一，它引起鋼管機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，在毫無征兆的條件下發(fā)生失效，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。傳統(tǒng)意義上的SCC分為兩種：高pH－SCC和近中性pH－SCC［4，5］。最早在美國(guó)發(fā)現(xiàn)的高pH－SCC屬沿晶開裂，pH大約在8.0～10.5［6］；在加拿大發(fā)現(xiàn)的近中性pH－SCC一般是穿晶型，pH 大約在5.5～8.0［4，7］。針對(duì)這兩種類型的應(yīng)力腐蝕，通常用NaHCO3＋Na2CO3溶液研究高pHSCC，而研究近中性pH－SCC主要利用 NS4溶液［8－13］。但這些模擬溶液是否與實(shí)際情況相符仍然有待驗(yàn)證。此外，有研究針對(duì)少數(shù)幾種典型土壤利用土壤模擬溶液進(jìn)行研究［14－17］，但這類研究相對(duì)較少。

我國(guó)的“西氣東輸二線”工程采用超過8000km的X80管線鋼，工程沿線不同土壤環(huán)境對(duì)管線鋼有重要影響。因此，研究X80鋼在沿線土壤條件下的應(yīng)力腐蝕具有重要意義。目前研究大多針對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行應(yīng)力腐蝕研究，而針對(duì)力學(xué)因素研究較少。應(yīng)變速率對(duì)X70鋼應(yīng)力腐蝕的影響已有相關(guān)研究存在［18，19］，但對(duì)X80鋼的影響研究很少。

本研究以“西氣東輸二線”工程使用的X80管線鋼為研究對(duì)象，針對(duì)管道埋設(shè)地的我國(guó)西北部甘肅玉門地區(qū)的土壤環(huán)境，利用土壤模擬溶液研究不同應(yīng)變速率對(duì)X80鋼應(yīng)力腐蝕的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為我國(guó)“西氣東輸二線”工程使用的尺寸為φ1219mm×22mm的X80直縫埋弧焊管。鋼的化學(xué)成分見表1，其室溫力學(xué)性能分別為：屈服強(qiáng)度694MPa、抗拉強(qiáng)度754MPa、伸長(zhǎng)率20.3%、斷面收縮率72.5%。X80鋼的微觀組織主要為針狀鐵素體，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用環(huán)境介質(zhì)以“西氣東輸二線”管線經(jīng)過的甘肅玉門地區(qū)堿性土壤為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的土壤進(jìn)行理化性質(zhì)分析，根據(jù)理化分析結(jié)果，用分析純化學(xué)藥品和去離子水配制土壤模擬溶液，用醋酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH值到9.06，模擬溶液成分見表2。

表1 X80鋼化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical compositions of X80pipeline steel（mass fraction／%）

圖1 X80鋼顯微組織Fig.1 Microstructure of X80pipeline steel

表2 實(shí)驗(yàn)用土壤模擬溶液成分（g·L－1）Table 2 Chemical compositions of simulated soil solution（g·L－1）

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）所用的樣品沿管線環(huán)向截取，以便和實(shí)際受力方向一致。樣品尺寸如圖2所示。拉伸采用三電極體系，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，X80管線鋼試樣為工作電極。

圖2 慢應(yīng)變速率拉伸樣品尺寸Fig.2 Dimensions of X80steel samples for SSRT

實(shí)驗(yàn)前，樣品表面用砂紙由粗到細(xì)打磨到800＃，打磨后用丙酮、去離子、酒精清洗去掉表面的油污后吹干待用。實(shí)驗(yàn)開始前預(yù)加300N的載荷，以便消除試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部及夾具的間隙。為了研究應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響，本次研究采用的應(yīng)變速率范圍為5.0×10－7～5.0×10－6s－1。應(yīng)力腐蝕敏感性通過材料塑性的降低來表示，利用公式（1）來計(jì)算拉伸后樣品的斷面收縮率（Reduction in area）R。R ＝ （1－S／S0）×100% （1）其中：S0表示樣品拉伸前的面積；S表示樣品拉伸后的面積。R的值越小，表示應(yīng)力腐蝕敏感性越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用超聲波清洗斷裂試樣，然后用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)斷裂試樣進(jìn)行斷口形貌和斷口側(cè)面二次裂紋形貌觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 慢應(yīng)變速率拉伸結(jié)果

對(duì)X80鋼樣品在不同應(yīng)變速率下進(jìn)行了慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，拉伸結(jié)果如圖3所示，根據(jù)SSRT結(jié)果及公式（1）得到的不同應(yīng)變速率下的斷面收縮率如圖4所示。

由圖3可以看出，1.0×10－6s－1應(yīng)變速率下曲線的應(yīng)變最小，而2.0×10－6s－1應(yīng)變速率下有最大的應(yīng)變，其余應(yīng)變速率下的應(yīng)變居中。此外，由圖3還可以看出，1.0×10－6s－1和2.0×10－6s－1應(yīng)變速率下分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的最低值和最高值，其余不同應(yīng)變速率條件下的強(qiáng)度值居中。

圖3 X80不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Stress－strain curves of X80steel at different strain rates

圖4表明不同應(yīng)變速率的斷面收縮率發(fā)生明顯變化，各應(yīng)變速率下的斷面收縮率基本處在40%～60%之間。而X80鋼在空氣中不同應(yīng)變速率拉伸時(shí)的斷面收縮率基本保持在60%～66%。因此，不同應(yīng)變速率下，X80鋼在土壤模擬溶液中都表現(xiàn)出了一定的應(yīng)力腐蝕敏感性，與斷面收縮率變化相反，應(yīng)力腐蝕敏感性存在以下關(guān)系：1.0×10－6s－1＞5.0×10－7s－1＞7.5×10－7s－1＞3.5×10－6s－1＞5.0×10－6s－1＞2.0×10－6s－1。

2.2 斷口形貌觀察

不同條件下的慢應(yīng)變速率拉伸試樣斷口形貌如圖5所示。整體上看，不同應(yīng)變速率的宏觀斷口都有不同程度的頸縮，而微觀斷口基本都以韌窩形貌為主，這代表不同樣品的斷裂仍然包括韌性斷裂在內(nèi)。但是，不同樣品卻表現(xiàn)出了一些有別于典型韌性斷裂的特征。

應(yīng)變速率較低的5.0×10s 和7.5×10s條件下，宏觀斷口頸縮程度小，局部出現(xiàn)少量裂紋，如圖5（a－1），（b－1）。而圖5（a－2），（b－2）微觀斷口的韌窩淺而扁平，有些位置韌窩不明顯，斷口上可以看到細(xì)小的微裂紋。這些結(jié)果表明X80鋼在較低的應(yīng)變速率下具有一定的應(yīng)力腐蝕敏感性。圖4顯示其斷面收縮率大約為45%，明顯低于空氣中的結(jié)果。

當(dāng)應(yīng)變速率為1.0×10－6s－1時(shí)，圖5（c－1）宏觀頸縮不明顯，斷口局部微裂紋較多。而從圖5（c－2）可以看出，典型的韌窩形貌已經(jīng)消失，部分區(qū)域出現(xiàn)類似河流花樣的條紋，表明脆性斷裂所占比重明顯增加。圖4顯示該應(yīng)變速率下的斷面收縮率為40%，明顯低于其他各個(gè)條件，應(yīng)力腐蝕敏感性最高。

在2.0×10－6s－1，3.5×10－6s－1和5.0×10－6s－1較高應(yīng)變速率下，圖5（d－1），（e－1），（f－1）斷口頸縮明顯，而圖5（d－2），（e－2），（f－2）有明顯韌窩形貌，韌窩內(nèi)有微孔存在，韌性特征明顯。從圖4可以看出，這些應(yīng)變速率的斷面收縮率都高于55%，接近空氣中的結(jié)果（60%～66%），應(yīng)力腐蝕敏感性較低。

2.3 斷口側(cè)面形貌觀察

應(yīng)力腐蝕的一個(gè)主要特征就是在主裂紋之外，會(huì)有二次裂紋的存在。二次裂紋的分布特點(diǎn)通常是：形核位置多、數(shù)量多、裂紋長(zhǎng)短和大小不同。斷口側(cè)面二次裂紋也是評(píng)價(jià)應(yīng)力腐蝕敏感性的重要標(biāo)準(zhǔn)。不同應(yīng)變速率下進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸，樣品斷裂后的側(cè)面形貌如圖6所示，圖6中分別表示了斷口側(cè)面宏觀形貌和微觀二次裂紋分布情況。

當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)（5.0×10－7s－1和7.5×10－7s－1），宏觀側(cè)面斷口已經(jīng)可以明顯地看到大量的二次裂紋，斷口局部呈現(xiàn)出“鋸齒”狀特征，如圖6（a－1）和圖6（b－1）所示。從圖6（a－2）和圖6（b－2）的微觀斷口形貌可以看出，在靠近主斷口的位置，分布著大量的二次裂紋。二次裂紋數(shù)量較多，長(zhǎng)短不一，不同二次裂紋之間已經(jīng)出現(xiàn)了由于擴(kuò)展而發(fā)生合并連接的特征，裂紋與受力方向近似成45°夾角。

當(dāng)在1.0×10－6s－1應(yīng)變速率下拉伸時(shí)，圖6（c－1）和圖6（c－2）的斷口形貌與圖6（a－1），6（b－1），6（a－2）和圖6（b－2）相似，但是二次裂紋更加明顯。說明1.0×10－6s－1應(yīng)變速率的應(yīng)力腐蝕敏感性略高于5.0×10－7s－1和7.5×10－7s－1，但差別不大，這也與圖4反映出的斷面收縮率相差不大的結(jié)果一致。

當(dāng)應(yīng)變速率高于1.0×10－6s－1時(shí)，6（d－1）、圖6（e－1）和圖6（f－1）的宏觀斷口形貌有明顯頸縮，看不出明顯的二次裂紋。而從圖6（d－2），6（e－2）和圖6（f－2）的微觀形貌可以看出，二次裂紋雖然存在，但其分布小而少。高應(yīng)變速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性普遍較低，這與圖4中斷面收縮率較高的結(jié)果吻合。

圖6 不同應(yīng)變速率下的斷口側(cè)面宏觀（1）和微觀（2）形貌（a）5.0×10－7s－1；（b）7.5×10－7s－1；（c）1.0×10－6s－1；（d）2.0×10－6s－1；（e）3.5×10－6s－1；（f）5.0×10－6s－1Fig.6 Macro（1）and micro（2）side surfaces of X80 steel at different strain rates（a）5.0×10－7s－1；（b）7.5×10－7s－1；（c）1.0×10－6s－1；（d）2.0×10－6s－1；（e）3.5×10－6s－1；（f）5.0×10－6s－1

3 分析和討論

應(yīng)力腐蝕是腐蝕和力學(xué)因素的綜合作用過程。裂紋要充分?jǐn)U展，必須保證裂尖發(fā)生溶解，同時(shí)溶解后的金屬離子、腐蝕產(chǎn)物等能夠順利離開，保證裂紋區(qū)不被堵塞。應(yīng)力的作用一方面保證裂紋內(nèi)的物質(zhì)離開而避免堵塞，另一方面使受腐蝕的裂尖不斷被拉開，促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)裂尖不斷張開會(huì)形成新的金屬面，而新金屬面又會(huì)繼續(xù)腐蝕。腐蝕和力學(xué)相互促進(jìn)和循環(huán)促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展發(fā)生過程可以簡(jiǎn)單地用圖7表示。包括：（a）金屬表面裂紋形核；（b）腐蝕和力學(xué)作用結(jié)合，腐蝕促進(jìn)裂尖溶解，拉應(yīng)力使裂尖張開產(chǎn)生新金屬面接受腐蝕；拉應(yīng)力使裂紋內(nèi)外發(fā)生物質(zhì)交換，保證腐蝕進(jìn)行和裂紋通道暢通；（c）裂紋擴(kuò)展，在這種綜合作用不斷循環(huán)發(fā)展下，裂紋不斷發(fā)生擴(kuò)展。不同速率下應(yīng)力腐蝕敏感性的差異實(shí)際上就是由于不同應(yīng)變速率對(duì)以上幾個(gè)步驟影響程度不同造成。

圖7 應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展發(fā)生過程Fig.7 Propagation of crack during SCC process

在敏感性最高的1.0×10－6s－1應(yīng)變速率下，該應(yīng)變速率基本能夠保證裂紋內(nèi)和本體溶液之間有足夠時(shí)間進(jìn)行物質(zhì)交換，保證裂尖處持續(xù)發(fā)生溶解。同時(shí)，應(yīng)變速率一方面及時(shí)的產(chǎn)生拉力作用，使裂尖在拉力作用下不斷地有原子間的鍵合力斷開而形成新的金屬面并被腐蝕；另一方面使裂紋不斷被打開，保證裂紋擴(kuò)展通道的暢通。在綜合作用下，裂紋擴(kuò)展過程持續(xù)進(jìn)行，增加了應(yīng)力腐蝕敏感性。

應(yīng)變速率為較低的5.0×10－7s－1和7.5×10－7s－1時(shí)，會(huì)發(fā)生如圖8中①的過程。裂紋產(chǎn)生后，裂紋內(nèi)的溶液與裂紋外的溶液有足夠長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)生充分的交換，保證腐蝕過程的順利進(jìn)行，這在一定程度上能夠保證裂尖部位不斷地發(fā)生溶解。但是，較低的應(yīng)變速率卻不能夠使裂尖及時(shí)的被拉開而產(chǎn)生新鮮的金屬面。在這種情況下，萌生的裂紋一方面裂尖不斷發(fā)生溶解，但力學(xué)作用又沒有及時(shí)的保證裂尖不斷張開，這樣會(huì)造成部分裂紋尖端由于發(fā)生溶解而導(dǎo)致裂紋尖端變鈍，這種裂尖的鈍化作用在一定程度上減緩了裂紋擴(kuò)展，降低了應(yīng)力腐蝕敏感性。因此，在此較低的應(yīng)變速率下，應(yīng)力腐蝕敏感性相比1.0×10－6s－1條件下略有降低。從圖6的二次裂紋形貌可以看出，應(yīng)變速率較低時(shí)，二次裂紋比較清晰，裂紋較寬，可以認(rèn)為這些二次裂紋產(chǎn)生后，由于應(yīng)變速率較低，裂紋受到的腐蝕作用比較大。當(dāng)應(yīng)變速率高于2.0×10－6s－1時(shí)，會(huì)發(fā)生如圖8中②的過程。力學(xué)作用開始逐漸變強(qiáng)。形核的裂紋在拉應(yīng)力作用下同樣會(huì)不斷擴(kuò)展而產(chǎn)生新的金屬面。但是由于應(yīng)變速率較高，裂紋尖端在沒有足夠的時(shí)間發(fā)生充分的腐蝕時(shí)，力學(xué)因素已經(jīng)使得裂紋不斷發(fā)生機(jī)械擴(kuò)展。同時(shí)，較強(qiáng)的機(jī)械擴(kuò)展使得裂紋內(nèi)部和外部的溶液沒有足夠時(shí)間進(jìn)行充分的物質(zhì)交換，這在一定程度上又阻礙了裂尖的腐蝕。因此，腐蝕作用被抑制而導(dǎo)致裂紋腐蝕很少，而機(jī)械作用在較高的應(yīng)變速率下又被不斷加強(qiáng)，應(yīng)力腐蝕的作用受到很大削弱，因而高應(yīng)變速率下普遍出現(xiàn)了低的應(yīng)力腐蝕敏感性。而從圖6的二次裂紋形貌可以看出，應(yīng)變速率較高時(shí)，二次裂紋比較小，說明二次裂紋在整個(gè)過程中受到的腐蝕作用比較弱，斷裂主要由力學(xué)因素造成。

圖8 不同應(yīng)變速率的裂紋擴(kuò)展過程Fig.8 Propagation process of crack at different strain rates

4 結(jié)論

（1）不同應(yīng)變速率下的慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性有一定的影響，不同應(yīng)變速率下的樣品均表現(xiàn)出了一定的應(yīng)力腐蝕敏感性。

（2）X80鋼在1.0×10－6s－1應(yīng)變速率下表現(xiàn)出最高的應(yīng)力腐蝕敏感性。低于該應(yīng)變速率時(shí)，應(yīng)力腐蝕感性略有降低；高于該應(yīng)變速率時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感性明顯降低。

（3）不同應(yīng)變速率下，應(yīng)力腐蝕敏感性存在差異的主要原因是：應(yīng)力腐蝕過程中的裂紋擴(kuò)展主要是一個(gè)腐蝕作用和力學(xué)作用的聯(lián)合過程，這種聯(lián)合作用導(dǎo)致了裂紋的不斷擴(kuò)展。只有在相對(duì)適中的應(yīng)變速率下，腐蝕和力學(xué)作用會(huì)很好的彼此促進(jìn)，增大應(yīng)力腐蝕敏感性。應(yīng)變速率較低時(shí)，腐蝕的作用超過力學(xué)作用而使應(yīng)力腐蝕敏感性略有降低；而較高的應(yīng)變速率下，力學(xué)機(jī)械作用為主導(dǎo)造成較低的應(yīng)力腐蝕敏感性。

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