X80鋼在新疆不同土壤環境中的氫脆行為

楊永和,胡江鋒,丁 融,吳建成,徐春燕,李振軍,方衛林,孫冰冰,王修云

(1. 中國石油西部管道公司，烏魯木齊 660008; 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司,北京 100083)

X80鋼在新疆不同土壤環境中的氫脆行為

楊永和1,胡江鋒1,丁 融1,吳建成1,徐春燕1,李振軍1,方衛林1,孫冰冰1,王修云2

(1. 中國石油西部管道公司，烏魯木齊 660008; 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司,北京 100083)

在外加陰極保護電位下，采用慢應變速率試驗、動電位極化方法以及掃描電鏡(SEM)觀察等方法對比分析了西部管道用大口徑X80鋼在新疆三種典型土壤模擬溶液中的氫脆行為。結果表明：在外加-1.1 V(CSE)電位條件下，在新疆農田、戈壁和沙漠三種典型土壤的模擬溶液中，X80鋼均發生強度和塑性損失，表現出氫脆敏感性；在不同的環境中，隨著土壤電導率的增加和pH的降低，X80鋼的氫脆敏感性增加。

陰極極化;X80管線鋼;氫脆;土壤模擬溶液

隨著我國油氣能源需求的快速增長，能源管道在我國大規模建設并投入使用。為降低成本，增加經濟效益，西部管道所屬的西氣東輸一、二、三線西段均采用高鋼級、大口徑、高壓力的管道。管道采用防腐蝕層外加陰極保護的聯合措施進行腐蝕控制，但高鋼級材料由于強度的提高其氫脆敏感性增加[1]，一旦防腐蝕層發生破損或存在漏點，過負陰極保護電位下管線容易發生氫脆失效。以往關于陰極保護導致高強鋼氫脆的研究多集中在海水環境中，大量的學者通過配制人工海水研究了不同類型高強鋼氫脆敏感性隨保護電位的變化規律,并給出了最佳陰極保護范圍[2-7]。近年來，隨著埋地管線鋼鋼級的提高，其在土壤環境中的氫脆問題逐漸突出，國內外學者已陸續展開了相關研究[8-13]，其中,國內常用的介質環境以酸性鷹潭土壤模擬溶液和堿性庫爾勒模擬溶液為主。西氣東輸三線西段共經過新疆、甘肅及寧夏三個省、自治區，所經地區地貌類型較復雜，平原、戈壁和荒漠等不同區域土壤理化性質存在差異，對比分析不同土壤環境對氫脆敏感性的影響規律,這可以為不同土壤環境中的陰極保護設計提供理論依據，具有重要的實際意義。

本工作選擇新疆農田、戈壁和沙漠三種典型的土壤，在外加陰極保護電位下，采用慢應變速率試驗(SSRT)、動電位極化方法以及掃描電鏡(SEM)對比分析了西部管道用大口徑X80鋼的氫脆行為。

1 試驗

1.1 試樣

試驗用X80鋼取自西部管道用大口徑集輸管線，其化學成分為：wC0.070%，wSi0.21%，wMn1.61%，wS0.002 5%，wP0.081%，wMo0.13%，wTi0.012%，wNb0.041%，wNi0.012%，wCu0.14%，余量鐵。金相組織見圖1，組織分布均勻細小，以珠光體和鐵素體為主。

圖1 X80鋼的金相組織Fig. 1 Microstructure of X80 steel

慢應變速率試驗采用棒狀試樣，取樣方法參照ISO 3183-2007規定，垂直于鋼板的軋制方向。試驗前試樣表面用水砂紙逐級打磨至800號，打磨方向與拉伸方向一致，用蒸餾水和酒精清洗，干燥后備用。電化學測試采用裸露面積為1 cm×1 cm的方形試樣，除工作面外其余面采用環氧樹脂(120 g環氧樹脂+30 g鄰苯二甲酸二丁酯+10 g乙二胺)封裝，背面引出導線。測試前工作面用水砂紙逐級打磨至800號，用蒸餾水和酒精清洗，干燥備用。

1.2 試驗方法

采用分析純的化學試劑按照表1配制土壤模擬溶液。由表1可見，三種土壤中的離子含量和電導率差別較大，其中沙漠土壤遠的電導率高于戈壁和農田土壤的；三種土壤的pH略有差別，沙漠土的pH為6.24,相對偏酸性，戈壁土和農田土接近中性。

表1 西部農田土壤的狀況Tab. 1 West farmland soil

慢應變速率試驗分別在空氣和三種土壤模擬溶液中進行，拉伸速率為10-6s-1，試驗溫度為室溫。在土壤模擬溶液中進行試驗時，先預加-1.1 V(相對銅/硫酸銅電極,CSE)恒電位持續24 h后開始試驗。試驗過程中，試樣的給定電位為-1.1 V(CSE)。試驗結束后試樣依次用蒸餾水、無水酒精清洗后烘干，采用SEM對拉伸斷口進行分析。電化學測試采用三電極體系，X80鋼試樣作為工作電極，鉑片作為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，用電化學工作站在三種土壤模擬溶液中從自腐蝕電位向負向掃描800 mV，以0.5 mV/s掃描速率測試陰極極化曲線。文中所用電位若無特指,均相對于CSE(CSE=SCE-72 mV)。

2 結果與討論

由圖2可見,試樣在三種土壤環境中的開路電位均在-0.72 V附近，隨著極化電位的不斷負移，電流密度逐漸增加。極化電位在-1.0 V以上時，試樣在三種土壤環境中的極化曲線基本重合；當極化電位負于-1.0 V，隨著極化電位的負移，試樣在三種土壤環境中的電流密度差距逐漸增加，同樣的極化電位下，試樣在三種土壤環境中的電流密度從小到大依次為：農田土壤模擬溶液>戈壁土壤模擬溶液>沙漠土壤模擬溶液。

圖2 試樣在三種土壤模擬溶液中的陰極極化曲線Fig. 2Cathodic polarization curves of sample in 3 kinds of soil simulation solutions

由圖3可見,與試樣在空氣中SSRT結果相比，試樣在-1.1 V給定電位下，不同土壤模擬溶液中的抗拉強度σb和延伸率δ均發生不同程度的降低。試樣在三種土壤模擬溶液中的抗拉強度σb和延伸率δ由大到小依次為:農田土壤模擬溶液、戈壁土壤模擬溶液和沙漠土壤模擬溶液。

為了進一步分析試樣的塑性損失，根據公式(1)計算X80鋼的斷面收縮率。經計算,試樣在農田土壤模擬溶液中的斷面收縮率為50.8%，在戈壁土壤模擬溶液中的斷面收縮率為40.8%，在沙漠土壤模擬溶液中的斷面收縮率為26.7%。

圖3 -1.1 V(CSE)給定電位下,試樣在不同土壤模擬溶液中的SSRT結果Fig. 3 SSRT results of sampls with -1.1 V (CSE) applied potential in 3 kinds of soil simulation solutions

式中:S0和S分別為試驗前后試樣的截面積。

根據公式(2)計算X80鋼在不同環境中的氫脆系數。經計算,試樣在農田土壤模擬溶液中的氫脆系數為34.1%，在戈壁土壤模擬溶液中的氫脆系數為47.2%，在沙漠土壤模擬溶液中的氫脆系數為65.5%。

式中:FH為氫脆敏感系數;ψ0為在空氣中拉伸的斷

面收縮率;ψ為試樣在介質中拉伸時的斷面收縮率。

由圖4可見,空氣中拉斷的試樣的斷口出現明顯的頸縮，微觀形貌為韌窩狀。與空白試驗相比，在-1.1 V給定電位條件下，試樣在農田土壤模擬液、戈壁土壤模擬溶液、沙漠土壤模擬溶液中經SSRT后，其斷口的頸縮程度依次減小，微觀形貌以準解理為主。這說明在-1.1 V給定電位條件下,X80鋼在不同土壤模擬溶液中都具有明顯的氫脆敏感性，同時也表明X80鋼的氫脆敏感性會受到外部環境的影響。

在土壤模擬溶液中，隨極化電位的負移，陰極首先發生吸氧反應，見式(3)；當極化電位達到析氫過電位時陰極才會發生析氫反應，見式(4)和(5)。由于土壤模擬溶液中的溶解氧含量有限，隨著電位繼續負移，氧的還原電流密度會達到氧極限擴散電流密度，陰極主要以析氫電流密度為主。從圖2試樣在三種土壤模擬溶液中的陰極極化曲線可以看出，在-0.9 V電位附近，存在析氫反應和吸氧反應的轉折拐點，在轉折點的電位以下，陰極析氫反應占主導作用。因此較負電位下,試樣在三種土壤環境中的極化曲線的差異主要是由于同樣電位下三種環境中析氫電流密度不同導致的。

(a) 空氣,宏觀 (b) 空氣,微觀 (c) -1.1 V(CSE),農田土壤模擬液,宏觀(d) -1.1 V(CSE),農田土壤模擬液,微觀

(e) -1.1 V(CSE),戈壁土壤模擬液,宏觀(f) -1.1 V(CSE),戈壁土壤模擬液,微觀(g) -1.1 V(CSE),沙漠土壤模擬液,宏觀(h) -1.1 V(CSE),沙漠土壤模擬液,微觀 圖4 試樣在不同試驗條件下SSRT后的斷口形貌Fig. 4 Fracture morphology of the samples after SSRT under different test conditions: (a) tensile in air,macro; (b) tensile in air,micro; (c) tensile at -1.1 V (CSE) potential in farmland soil simulation solution,macro; (d) tensile at -1.1 V (CSE) potential in farmland soil simulation solution, micro; (e) tensile at -1.1V (CSE) potential in gobi soil simulation solution,macro; (f) tensile at -1.1V (CSE) potential in gobi soil simulation solution,micro; (g) tensile at -1.1 V (CSE) potential in desert soil simulation solution,macro; (h) tensile at -1.1 V (CSE) potential in desert soil simulation solution,micro

由表1可見，沙漠土壤、戈壁土壤和農田土壤中離子含量依次降低。其中，沙漠土壤中離子含量最高，戈壁土壤模中的次之，農田土壤中的最低,同時pH也依次增加。兩種因素均導致在相同的給定電位下，試樣的陰極析氫電流密度依次增加。

陰極析氫首先是氫離子還原成吸附在電極表面的氫原子，絕大部分吸附氫原子復合脫附或者電化學脫附結合成氫分子形成氣泡析出；另一部分吸附氫原子進入金屬并向內部擴散。在慢應變速率條件下，氫原子會向裂尖擴展，并形成氣團阻礙位錯的滑移，導致脆性增加。

圖2中,在-1.1 V電位下，陰極電流密度由大到小依次為:沙漠土壤模擬溶液、戈壁土壤模擬溶液和農田土壤模擬溶液，即三種模擬溶液中的陰極析氫電流密度逐漸降低，析氫電流密度越高，陰極產生的吸附氫原子數量越多，能夠擴散進入X80鋼內部的氫原子數量也越多，導致X80鋼在此環境中的氫脆敏感性越高，這與不同環境中由慢應變速率試驗得到的氫脆系數結果一致。

3 結論

(1) 在外加-1.1 V電位條件下，在新疆農田、戈壁和沙漠三種典型的土壤模擬溶液中，X80鋼均發生強度和塑性損失，表現出氫脆敏感性。

(2) 相同的給定電位下，不同土壤模擬溶液中的氫脆敏感性不同，由大到小依次排序為新疆沙漠土>新疆戈壁土>新疆農田土。

(3) 陰極析氫電流密度是影響氫脆敏感性的主要因素，相同的給定電位下，隨著土壤電導率的增加和pH的降低，陰極析氫電流密度增加，X80鋼的氫脆敏感性增加。

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Hydrogen Embrittlement Behavior of X80 Steel in Different Xinjiang Soil Environments

YANG Yong-he1, HU Jiang-feng1, DING Rong1, WU Jian-cheng1, XU Chun-yan1, LI Zhen-jun1, FANG Wei-lin1, SUN Bing-bing1, WANG Xiu-yun2

(1. Petrochina West Pipeline Company, Urumqi 660008, China; 2. Safetech Research Institute (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100083, China)

Hydrogen embrittlement of large diameter X80 pipeline steel in the simulation solutions of three typical soils in Xinjiang was studied by slow strain rate test (SSRT) with applied potential, SEM and potentiodynamic polarization curve. The results showed that at -1.1 V (CSE) cathodic potential, the strength and plastic deformation losses of X80 steel occurred, indicating the hydrogen embrittlement sensitivity. In different environments, with the increase of soil electrical conductivity and the decrease of pH, hydrogen embrittlement sensitivity of the X80 steel increased.

cathodic polarization; X80 pipeline steel; hydrogen embrittlement; soil simulation solution

10.11973/fsyfh-201701011

2015-07-03

楊永和(1970-)，高級工程師，博士，能源與環保，0991-7561381,yhyang@petrochina.com.cn

TG174

A

1005-748X(2017)01-0050-04