X80管線鋼在NS4溶液中的應力腐蝕行為

(中國石油天然氣股份有限公司 西部管道分公司，烏魯木齊 830012)

應力腐蝕開裂(SCC)是埋地管線發生突發性安全事故的主要原因之一。埋地管線的應力腐蝕開裂主要有兩種形式:一種是在堿性土壤中的SCC;另一種則是在近中性土壤中的SCC[1-2]。一般認為管線鋼在高濃度碳酸鹽和碳酸氫鹽中發生的SCC為高pH情況下(pH為8.0～10.5)的SCC，裂紋沿晶擴展，而在稀碳酸氫鹽溶液中發生的SCC為近中性pH情況下(pH約為5.5～8.0)的SCC。管線鋼在近中性土壤環境中發生SCC時，裂紋以穿晶方式擴展且裂紋內發生明顯腐蝕，因而相比高pH環境中的SCC，其裂紋更寬[3-5]。

我國在西氣東輸二線工程中首次實現了X80管線鋼的規模化應用，隨著X80管線鋼的使用越來越廣泛，保障其安全運行是一項重要的研究課題[6-7]。管線鋼制管需要焊接，焊接是局部熔化過程，在此過程中，焊縫與熱影響區金屬組織和性能會發生改變，這使得焊接接頭成為薄弱環節，大量的管線失效也主要集中在焊接接頭[10-11]。此外，對西氣東輸二線主干線管線所經過的土壤、環境pH進行統計后發現，很多管段的土壤環境都屬于近中性pH土壤。因此，焊接接頭在近中性pH土壤中的SCC更加受到關注。由于X80管線鋼的工業化應用尚處于起步階段，特別是針對X80管線鋼在近中性pH土壤環境中的SCC研究工作開展得較少。因此，本工作采慢應變速率試驗(SSRT)和電化學方法研究了X80管線鋼母材與焊接接頭在NS4溶液中的應力腐蝕開裂行為[10]，探討了X80管線鋼母材與焊接接頭在近中性土壤環境中發生SCC的可能性及敏感性,以期為X80管線在近中性土壤環境中應力腐蝕開裂的預防提供理論依據。

1 試驗

試驗材料取自國內某鋼管廠生產的X80螺旋埋弧焊管，母材的化學組成如表1所示,其尺寸為φ1 219 mm×22 mm。焊接接頭取自螺旋埋弧焊焊接接頭。

表1 X80管線鋼的化學成分Tab. 1 Chemical composition of X80 pipeline steel %

由于NS4溶液是實驗室常用的近模擬中性土壤溶液，故本工作中試驗溶液為NS4溶液，pH約為7，該溶液采用蒸餾水和分析純化學試劑配制，并通入5% CO2+95% N2。

電化學試驗采用美國EG&G公司的M2273電化學測試系統，將X80螺旋埋弧焊管的母材和焊縫加工成有效暴露面積為1 cm2的電化學試樣，試樣背面焊接Cu導線，非工作表面用環氧樹脂密封使其和腐蝕介質隔絕。試驗前將工作電極用砂紙(100～1 000 號)逐級打磨并拋光，然后用去離子水、酒精和丙酮清洗試樣表面的油污。動電位極化測試采用標準的三電極體系，工作電極為X80螺旋埋弧焊管母材和焊縫試樣，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為Pt 電極，工作電極浸泡在試驗溶液中20 min后開始電化學測試，掃描速率為1 mV/s。

慢應變速率試驗(SSRT)在MYB-Ⅱ型慢應變速率試驗機上進行，SSRT所用的試樣形狀尺寸如圖1所示。X80螺旋埋弧焊管母材的SSRT試樣沿鋼管的環向截取，焊接接頭的SSRT試樣需將焊縫置于試樣標距的中間。拉伸前，所有SSRT試樣經砂紙(200～1 000號)逐級打磨，隨后用無水乙醇清洗，丙酮脫脂。SSRT在常溫常壓下進行，應變速率為10-6/s。

圖1 SSRT試樣形狀與尺寸Fig. 1 Dimension and shape of specimen for SSRT

為了表征X80管線鋼母材及焊接接頭在NS4溶液中SCC敏感性，定義應力腐蝕指數Iscc(韌性損失)作為SCC敏感性的判據，Iscc越大則SCC敏感性越高。應力腐蝕指數如式(1)所示：

(1)

式中:I空是在空氣中測定的材料性能參數；I腐是在NS4溶液中測定的材料性能參數。根據GB/T 15970.7-2000《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第7部分慢應變速率試驗》，采用抗拉強度(Rm)、斷后伸長率(δ)、斷面收縮率(Ψ)與斷裂功(W) 4個參數來判定母材與焊縫拉伸試樣在NS4溶液中的SCC敏感性。

2 結果與討論

2.1 極化曲線

由圖2可見：母材試樣和焊縫試樣的極化曲線都具有典型的陽極溶解特征，未出現鈍化現象，即隨極化電位的升高，陽極電流密度增加，這表明試樣表面在陽極溶解過程中沒有形成鈍化膜。在極化曲線上，腐蝕電流密度為零對應的極化電位為自腐蝕電位(Ecorr)，它是材料陽極反應總電流密度等于陰極反應總電流密度時的電位值，X80螺旋埋弧焊管母材試樣的Ecorr為-0.741 V，焊縫試樣的Ecorr為-0.847 V，即母材試樣的自腐蝕電位高于焊縫試樣的。

極化曲線結果表明，母材試樣的自腐蝕電流密度為2.95 μA/cm2，焊縫試樣的自腐蝕電流密度為3.52 μA/cm2。由法拉第第二定律可知，金屬的腐蝕電流密度與腐蝕速率呈正比關系，即腐蝕電流密度越大，腐蝕速率越大，在腐蝕介質中的耐蝕性越差。由此可知，在NS4溶液中，X80螺旋埋弧焊管母材試樣的耐蝕性優于焊縫試樣的。這是因為焊縫的形成是一個冶金過程，經歷過若干個焊接熱循環后焊縫、熔合區、熱影響區和母材之間的成分、組織和性能都存在差異，并且焊接接頭處的金屬組織往往是非平衡態的，熱力學穩定性劣于母材試樣的。此外，由于焊接熱輸入的瞬時性和局部性，焊接過程中的溫度場分布不均勻，導致焊接接頭處的應力水平往往高于母材處的，較高水平的拉應力會促進金屬的腐蝕。

圖2 母材試樣和焊縫試樣在在NS4溶液中的極化曲線Fig. 2 Polarization curves of base metal sample and welded joint sample in NS4 solution

2.2 SSRT曲線

由圖3和表2可見：母材試樣在空氣中的抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂功分別為668 MPa、23%、68.3%和125.9×10-3J/mm;在NS4溶液中的抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂功分別為648 MPa、22.05%、65.65%和119×10-3J/mm；焊接接頭試樣在空氣中的抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂功分別為754 MPa、17.25%、51.9%和108.55×10-3J/mm;在NS4溶液中的抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂W分別為714 MPa、14.5%、46.5%和90.5×10-3J/mm。

(a) 母材試樣

(b) 焊接接頭試樣圖3 母材試樣和焊接接頭試樣在空氣和NS4溶液中的SSRT曲線Fig. 3 SSRT curves of base metal samples (a) and welded joint samples (b) in air and NS4 solution

參數母材試樣焊接接頭試樣Rm/MPaA/%Z/%W/(J·mm-1)Rm/MPaA/%Z/%W/(J·mm-1)環境空氣6682368.3125.9×10-375417.2551.9108.55×10-3NS4溶液64822.0565.65119×10-371414.5046.590.5×10-3Iscc/%2.994.133.885.485.315.9410.417.09

按式(1)計算出X80母材在NS4溶液中的應力腐蝕敏感指數Iscc可知，母材試樣在NS4溶液中對應力腐蝕開裂不敏感。以抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂功為參考指標測得的應力腐蝕敏感指數均小于6%，即各指標無明顯損失。相比之下，焊接接頭試樣在NS4溶液中具有一定的應力腐蝕開裂敏感性，以斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂功為參考指標測得的應力腐蝕敏感指數均超過10%，但并未超過20%，因而焊接接頭試樣的SCC敏感性并不十分顯著。

2.3 組織形貌

由圖4可見：母材試樣在空氣和NS4溶液中經SSRT后，塑性變形明顯，斷口上可以觀察到大量的韌窩，具有明顯的韌性斷裂特征。在NS4溶液中，母材試樣斷口上的裂紋源區表面覆蓋著腐蝕產物，能譜分析表明，腐蝕產物主要由Fe、O和C組成，并含有少量Na、S、K，見圖5。少量的Na、S、K元素是NS4溶液(含有KCl、NaHCO3、Mg2SO4·7H2O)中含有的元素，Fe、O和C三種元素組成的碳酸亞鐵(FeCO3)是X80管線鋼在NS4溶液中的腐蝕產物[11]。由圖6可見：焊接接頭試樣在空氣中的斷裂形式為韌性斷裂，斷口上也可觀察到大量的韌窩；在NS4溶液中，焊接接頭試樣的SSRT斷口局部區域可觀察到解理斷裂特征，這表明焊接接頭試樣在NS4溶液中的SCC敏感性增強，其SCC敏感性明顯高于母材試樣的。

(a) 空氣 (b) NS4溶液圖4 母材試樣在空氣和NS4溶液中的SSRT斷口形貌Fig. 4 SSRT fracture morphology of base metal samples in air (a) and NS4 solution (b)

圖5 母材試樣在NS4溶液中經SSRT后斷口表面蝕產物能譜分析結果Fig. 5 EDS results of corrosion products on the fracture surface of the base metal after SSRT in NS4 solution

(a) 空氣 (b) NS4溶液圖6 焊接接頭試樣在空氣和NS4溶液中的SSRT斷口形貌Fig. 6SSRT fracture morphology of welded joint samples in air (a) and NS4 solution (b)

如前所述，焊接導致焊縫與熱影響區金屬組織和性能變化使得焊接接頭成為管線鋼最薄弱的環節。焊接接頭由焊縫區、熔合區和熱影響區組成，圖7所示為本工作用X80螺旋埋弧焊管焊接接頭的宏觀形貌。焊縫與母材的交界線稱為“熔合線”，熔合線兩側有一個很窄的焊縫區與熱影響區的過渡區稱為“熔合區”。熔合區化學成分不均勻，組織粗大，往往是粗大的過熱組織，見圖8(a)，使得該區域材料強度下降，塑性韌性極差，易產生裂紋和脆性破壞，其性能是焊接接頭三個區域中最差的。相比之下，本次試驗所用的X80螺旋埋弧焊管管體微觀組織主要為粒狀貝氏體B粒，晶粒細小，見圖8(b)。因此，焊接接頭熔合區是鋼管的薄弱環節，易發生應力腐蝕開裂。

3 結論

(1) 在NS4溶液中，X80螺旋埋弧焊鋼管母材的自腐蝕電位高于焊縫的，母材的腐蝕電流密度低于焊縫的，即母材的耐蝕性優于焊縫的。

圖7 焊接接頭試樣的宏觀形貌Fig. 7 Macro-morphology of welded joint sample

(a) 熔合區 (b) 母材圖8 試樣的組織形貌Fig. 8 Structure morphology of samples：(a) fusion zone； (b) base metal

(2) X80螺旋埋弧焊鋼管母材在NS4溶液中對應力腐蝕開裂不敏感。以抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂功為參考指標測得的應力腐蝕指數均小于6%，即各指標無明顯損失。

(3) X80螺旋埋弧焊鋼管焊接接頭在NS4溶液中具有一定的應力腐蝕開裂敏感性，以斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂功為參考指標測得的應力腐蝕指數均超過10%，但未超過20%，即焊接接頭在NS4溶液中的應力腐蝕敏感性并不顯著。

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