X70鋼和X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的氫脆敏感性

楊耀東，魯曠達，曹文海，馬如飛，張 雷，路民旭

（1.中國空間技術研究院，北京100094；2.北京科技大學新材料技術研究院，北京100083）

X70鋼和X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的氫脆敏感性

楊耀東1，魯曠達2，曹文海2，馬如飛2，張 雷2，路民旭2

（1.中國空間技術研究院，北京100094；2.北京科技大學新材料技術研究院，北京100083）

采用動態充氫的試驗方法，研究X70，X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的氫脆敏感性，即在對X70鋼和X80鋼試樣施加過負陰極保護電位的同時，對試樣進行慢應變速率試驗。結果表明，隨著陰極保護電位變負，X70鋼和X80鋼的氫脆敏感性均有所增強，在相同的陰極保護電位下，X80鋼的氫脆風險大于X70鋼。

X70鋼；X80鋼；陰極極化；慢應變速率試驗；氫脆

高強度管線鋼的開發和使用不僅可以在不影響輸氣安全的前提下減少壁厚，從而實現油氣管道的高壓高效輸送，并且能夠降低油氣管線的成本。高壓輸送采用高鋼級別管材是石油天然氣管道發展的重要趨勢［1-2］。在油氣輸運管道中，常采用陰極保護來抑制鋼材的外腐蝕。然而，陰極保護電位過負造成的鋼材“過保護”會導致陰極過量析氫，容易產生氫致開裂風險。

鋼的強度級別越高，其氫脆敏感性也越高。目前，中、低強度鋼材的陰極保護設計已經有了較為豐富的實驗室研究與實踐經驗，規范鋼材陰極保護工程實施的標準也較為詳盡。但是，對于屈服強度＞550 MPa的高強度鋼材，其氫脆敏感性與低強度鋼相比將有較大提高。因此，高強管線鋼陰極保護參數的設定不僅要能夠抑制其陽極溶解速率，更要避免其氫脆斷裂。但是，針對高強鋼在陰極保護條件下氫脆敏感性的基礎研究目前還比較缺乏，其最大陰極保護電位目前仍不明確［3］。

英國C.BATT［4］研究認為，700 MPa的Welddox700鋼和900 MPa的900鋼在天然海水中的最佳保護電位為-0.77 V（vs.SCE，下同），在滅菌海水中為-0.79 V，即在該電位下鋼材腐蝕速率降至0.001 mm/a以下，且不會引起氫脆。法國的L. Coudreuse［5］則認為將保護電位從-1.05 V提高到-0.85 V，材料發生氫脆的影響可以大大降低。美國根據對在役高強鋼的調查結果認為，屈服強度大于700 MPa鋼的電位負于-0.95 V即會引起氫脆，屈服強度大于800 MPa的鋼，電位負于-0.80 V即可引起氫脆［6］。邱開元、王海江［7-8］等研究了陰極極化電位對16Mn鋼和12Cr Ni3Mo V鋼的氫脆敏感性影響，結果表明，16Mn鋼在保護電位負于-0.90 V時，斷面收縮率突然減小，氫脆敏感性急劇增強，12Cr Ni3MoV鋼在保護電位-1 200 mV時短裂紋擴展加速，氫脆敏感性增強。楊兆艷［9］等研究了陰極極化對907鋼在海水中氫脆敏感性的影響，表明，當電位負于-1.06 V時，907鋼的脆化系數迅速增大；當電位負于-1.11 V時，脆化系數進入脆斷區。

本工作通過X70鋼和X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中進行的陰極極化和慢應變速率試驗，研究鋼的力學性能變化和慢拉伸斷口變化規律。通過計算管線鋼的斷面收縮率，獲得兩種管線鋼的氫脆敏感性差異。

1 試驗

1.1 試驗材料

以X70鋼和X80鋼為試驗材料，其金相組織如圖1所示。X70鋼的金相組織為鐵素體+帶狀珠光體，其中白色組織為鐵素體，黑色組織為珠光體。X80的金相組織為鐵素體+珠光體，組織分布較X70鋼更均勻，晶粒較X70更細，珠光體彌散分布。

圖1 試驗用鋼的金相組織Fig.1 Microstructure of the tested steels

1.2 試驗溶液及化學成分

試驗溶液為江西鷹潭土壤模擬溶液，其化學成分如表1所示，溶液由去離子水和分析純試劑配制。

表1 試驗溶液的化學成分Tab.1 Chemical composition of the experimental solution g·L-1

1.3 慢應變速率試驗

慢拉伸試驗裝置與試樣尺寸如圖2所示。拉伸取樣垂直于鋼板的軋制方向，即橫向取樣，樣品為棒材。先用恒電位儀對試樣預充氫24 h，再將試樣、介質盒、三電極體系整體移至慢拉伸試驗機上進行動態充氫，即在拉伸的同時進行充氫，慢拉伸應變速率取1×10-6/s。

2 結果與討論

圖3為X70鋼和X80鋼在空氣中，施加不同陰極保護電位模擬溶液中的SSRT曲線。

圖2 慢拉伸試驗裝置與試樣尺寸Fig.2 SSRT device and specimen size

圖3 不同管線鋼在不同條件下的慢拉伸曲線Fig.3 SSRT curves of X70 and X80 steel under different conditions

由圖3可見，對于同種材料，隨著陰極保護電位的負移，拉斷時的應變量明顯減小。即隨著保護電位變負，材料出現了明顯的塑性損失。這一結果與程遠、李超等［10-11］的研究結果一致，其研究表明，對于南雄土壤模擬溶液中的X80鋼和酸性土壤模擬溶液中的X100鋼，當陰極電位過負時，氫脆機制起主要作用，且隨著陰極電位負移，材料氫脆敏感性顯著提高。

圖4～圖6為X70和X80鋼在不同條件下慢拉伸后的斷口宏觀形貌。

圖4 空氣中X70、X80鋼的慢拉伸斷口形貌Fig.4 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel in air

圖5 -0.9 V（vs.SCE）下X70、X80鋼的慢拉伸斷口形貌Fig.5 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel at-0.9 V（vs.SCE）

圖6 -1.1 V（vs.SCE）下X70、X80鋼的慢拉伸斷口形貌Fig.6 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel at-1.1 V（vs.SCE）

由圖4～6可見，在空氣中慢拉伸時，兩種管線鋼的斷口均為韌性斷口，有明顯的頸縮與剪切唇。在-0.9 V（vs.SCE）下，X70鋼仍然為韌性斷口，有明顯頸縮與剪切唇；而X80鋼兼具韌性斷口與脆性斷口的特征，頸縮量有所減小。在-1.1 V（vs. SCE）下，X70鋼仍然為韌性斷口，有明顯頸縮與剪切唇；X80為明顯的脆性斷口，頸縮量很小。該現象與趙穎，張士歡等對X70和X80管線鋼在慢拉伸試驗中的斷口形貌的研究結果一致［12-13］。

X80鋼出現這種現象是因為，當對拉伸試樣進行較負的陰極保護時，試樣表面會發生析氫反應，產生的氫有一部分進入金屬。在低速變形時，氫在應力誘導作用下向高的三向拉應力區擴散聚集，當氫含量富集到某一臨界值時，裂紋會過早地形核和擴展，從而使材料的塑性下降，表現為試樣的斷面收縮率減小［14］。而X70鋼的強度較低，相應地，氫脆敏感性較低，氫所引起的塑性損失較小。

計算不同管線鋼在不同條件下慢拉伸后的斷面收縮率：

式中：S0為拉伸前試樣截面積，S為拉伸后試樣截面積。計算結果如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著保護電位變負，X70鋼的斷面收縮率變化不大，X80鋼的斷面收縮率有較大變化。這說明，隨著電位變負，X70鋼的塑性損失小于X80鋼。

通常可以用氫脆敏感系數FH對材料的氫脆敏感性進行評價［15］，定義FH如下：

式中：ψ0為試樣干燥空氣中的斷面收縮率；ψ為試樣在試驗條件下的斷面收縮率。以氫脆敏感系數FH作為判據，認為當FH＞35%，視為脆斷區，材料在該條件下肯定會發生氫脆；25%≤FH≤35%，材料在該條件下有氫脆潛在危險；FH＜25%，視為安全區，材料在該條件下不會發生氫脆。計算2種鋼在不同電位下的氫脆敏感系數，如圖8所示。

圖7 兩種管線鋼在不同條件下慢拉伸后的斷面收縮率Fig.7 Percentage reduction of area of two kinds of steel under different conditions

圖8 2種鋼在不同電位下的氫脆敏感系數Fig.8 Hydrogen embrittlement susceptibility coefficients of two kinds of steel at different potentials

圖8 結果表明，在同一電位條件下，X80鋼的氫脆敏感系數明顯高于X70鋼；同一種管線鋼隨著陰保電位變負，氫脆敏感系數升高；對于材料在服役環境中的安全性，可以以氫脆敏感系數FH來作為判據之一，如圖中所示-1.1 V保護下的X80鋼的氫脆敏感系數處在25%～35%之間，說明材料在該條件下有氫脆潛在危險。-0.9 V保護電位下的X80鋼，X70鋼和-1.1 V保護下的X70鋼的氫脆敏感系數＜25%，氫脆風險小，尤其是X70鋼，氫脆敏感系數小于X80鋼，氫脆風險較小。

3 結論

（1）X80鋼隨著陰極保護電位負移，SSRT斷口由韌性斷口向脆性斷口轉變，剪切唇和頸縮逐漸消失，斷面收縮率減小，氫脆敏感系數增大；在本次試驗電位范圍內，隨著陰極保護電位變負，X70鋼的斷口保持為韌性斷口，氫脆敏感系數低于X80鋼。

（2）X80鋼在-1.1 V保護電位下有氫脆潛在危險；在-0.9 V保護電位下，氫脆敏感系數為34.1%，存在潛在的氫脆風險。X70鋼在-1.1 V和-0.9 V保護電位下，最大氫脆敏感系數僅為1.5%，氫脆風險較小。即X80鋼的氫脆敏感性大于X70鋼。

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Susceptibility of X70 and X80 Steels to Hydrogen Embrittlement in Yingtan Simulated Solution

YANG Yao-dong1，LU Kuang-da2，CAO Wen-hai2，MA Ru-fei2，ZHANG Lei2，LU Min-xu2
（1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.Institute of Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

X70 and X80 steels were selected to evaluate the susceptibility to hydrogen embrittlement in Yingtan simulated solution by slow strain rate test（SSRT）adding negative cathodic protection potential.The results show that hydrogen embrittlement susceptibility of the pipeline steels increased as the potential became more negative. Hydrogen embrittlement risk of X80 pipeline steel is higher than that of X70 at the same potential.

X70 steel；X80 steel；cathodic polarization；slow strain rate test；hydrogen embrittlement

TG172.4

A

1005-748X（2015）09-0810-04

10.11973/fsyfh-201509003

2015-06-15

國家自然科學基金（51271025）

張 雷（1978- ），副教授，博士，從事H2S/CO2腐蝕及耐蝕材料研究，010-62333972，zhanglei＠ustb.edu.cn