X80鋼及焊接接頭在模擬高pH值土壤環(huán)境的應(yīng)力腐蝕

呂玉榮

摘要：采用慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）試驗(yàn)觀察研究了X80管線鋼及焊接接頭在0.5 mol/L Na2CO3+1 mol/L NaHCO3溶液中的應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）敏感性。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著外加電位的負(fù)移，斷裂時(shí)間、斷面收縮率、應(yīng)變量都明顯變小;X80管線鋼及焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性增加，施加相同外加電位時(shí)，焊接接頭較母材的應(yīng)力腐蝕敏感性增加。

關(guān)鍵詞：X80管線鋼;SSRT;CO32--HCO3-溶液;應(yīng)力腐蝕

中圖分類號(hào)：F407.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

管線鋼應(yīng)力腐蝕的研究有悠久的歷史，經(jīng)過(guò)多年的研究得知：管線鋼在土壤中發(fā)生應(yīng)力腐蝕有兩種形態(tài)，即沿晶型應(yīng)力腐蝕（IGSCC）和穿晶型應(yīng)力腐蝕（TGSCC）[1-2]。世界上首例管道SCC事故于1965年發(fā)生在美國(guó)路易斯安那州，其破壞形態(tài)為沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（IGSCC）[3]。環(huán)境為高pH值濃度的CO32-和HCO3-。

管線在服役過(guò)程中引發(fā)應(yīng)力腐蝕必須同時(shí)具備三個(gè)條件，即應(yīng)力、特定的腐蝕環(huán)境和敏感的管道材料[4]。埋地管線外壁在保護(hù)涂層和陰極保護(hù)失效的情況下，與土壤和地下水的接觸經(jīng)常產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。土壤和地下水存有硝酸根離子（NO3-）、氫氧根離子（OH-）、碳酸根離子（CO32-）等，它們都是引起管線應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂失效的介質(zhì)[5-6]。

X80鋼是目前國(guó)際鋪設(shè)的最高強(qiáng)度級(jí)別的管線鋼，管道輸送過(guò)程中，土壤介質(zhì)引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）危害較大，為便于研究，本文采用0.5 mol/L Na2CO3+1 mol/L NaHCO3溶液來(lái)模擬高pH值土壤環(huán)境，就X80鋼及焊接接頭的應(yīng)力腐蝕進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)選材

本試驗(yàn)所用材料是X80鋼，密度為7.9 g/cm3。其母材成分如表1，其力學(xué)性能如表2。

所用材料分別取材于母材和焊縫處，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工做成試樣。所得試樣的形狀和尺寸如圖1所示。

2 試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備選用北京中腐防蝕工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SCC-1型應(yīng)力腐蝕測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）試驗(yàn)。SSRT方法提供了通過(guò)恒載荷、恒應(yīng)變等試驗(yàn)方法不能迅速激發(fā)應(yīng)力腐蝕的條件下，確定延性材料應(yīng)力腐蝕敏感性的加速試驗(yàn)方法。試驗(yàn)過(guò)程中儀器自動(dòng)記錄應(yīng)力-拉伸量曲線。

3 試驗(yàn)介質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)用0.5 mol/L Na2CO3+1 mol/L NaHCO3溶液配制高pH值的腐蝕介質(zhì)溶液，所用溶劑為去離子水。

4 試驗(yàn)步驟

①將加工好的試樣用丙酮去油處理，然后用600、800、1000砂紙打磨至表面光亮，沒(méi)有劃痕。

②將打磨好的試樣粘上應(yīng)變片后，浸在腐蝕介質(zhì)中，裝在SSRT系統(tǒng)上，密封（如圖3）。然后試樣接負(fù)極，鉑電極接正極。用M273恒電位儀提供外加電位，分別為-1000 mV、-800 mV、-730 mv、-600 mV。

③打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，按下電源按鈕，然后按下啟動(dòng)按鈕。先將SSRT系統(tǒng)上的紅線和藍(lán)線對(duì)接，待電壓顯示為0時(shí)，將紅線接參比電極，藍(lán)線接試樣上的應(yīng)變片，開(kāi)始試驗(yàn)。

④試驗(yàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，并記錄載荷-應(yīng)變曲線和電位-時(shí)間曲線。

⑤試樣拉斷后，在5分鐘之內(nèi)，取下試樣放入超聲波清洗器中清洗5分鐘，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干。測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)。

⑥重復(fù)以上步驟，分別測(cè)試母材和焊縫在-1000 mV、-800 mV、-600 mV、自腐蝕電位下和空拉時(shí)的應(yīng)力腐蝕敏感性。

5 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)設(shè)備上分別測(cè)試母材和焊縫在-1000 mV、-800 mV、-730 mV、-600 mV自腐蝕電位下和空拉時(shí)的應(yīng)力腐蝕敏感性。通過(guò)對(duì)母材在不同外加電位下拉伸時(shí)的曲線和斷裂壽命、斷面收縮率、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變量與空拉時(shí)的值比較，觀察其變化規(guī)律。

圖2為母材在空拉和不同外加電位下的應(yīng)力-拉伸量曲線。從圖2中可以看出，曲線的變化具有一定的規(guī)則性。空拉時(shí)由于試驗(yàn)設(shè)備原因?qū)е驴绽€在下滑階段有所失準(zhǔn)，故不在試驗(yàn)考慮之內(nèi)。但當(dāng)有外加電位時(shí)，拉伸量發(fā)生了變化，并且隨著電位的負(fù)向增大，拉伸量明顯下降，說(shuō)明外加電位對(duì)埋地管線鋼的失效影響很大。

表3為母材在空拉和不同外加電位下的應(yīng)力腐蝕破裂參數(shù)。從表3中可以看出：空拉時(shí)無(wú)論是抗拉強(qiáng)度還是斷裂壽命都是最大的;當(dāng)有外加電位時(shí)，隨著電位的負(fù)向增大，斷裂壽命逐漸減小，說(shuō)明陰極保護(hù)對(duì)應(yīng)力腐蝕有促進(jìn)作用;斷面收縮率隨著電位的增大明顯增大，說(shuō)明試樣斷裂時(shí)的變形越來(lái)越大，其脆性斷裂越不顯著，其中以空拉時(shí)的斷面收縮率最大。外加電位對(duì)抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯影響，說(shuō)明抗拉強(qiáng)度是材料本身的性質(zhì)，外界影響不大，只是空拉時(shí)會(huì)比加電位時(shí)稍微大一些。應(yīng)變量的變化最明顯，在空拉時(shí)屬于典型的塑性斷裂，當(dāng)存在外加電位時(shí)，隨著負(fù)電位數(shù)值的增大，脆性斷裂越明顯。

圖3為焊縫在空拉和不同外加電位下的應(yīng)力-拉伸量曲線。從圖3中可以看出，空拉時(shí)拉伸量最大，隨著電位的負(fù)向增加，拉伸量在變小，說(shuō)明斷裂壽命隨著電位的負(fù)向增大而明顯減小。因此焊縫的應(yīng)力腐蝕敏感性隨著電位的負(fù)向增加而增強(qiáng)。

表4為焊縫在空拉和不同外加電位下的應(yīng)力腐蝕參數(shù)。從表4中可以看出，隨著電位數(shù)值的負(fù)向增加，斷裂壽命減小;抗拉強(qiáng)度變化不大，基本處于540 MPa左右波動(dòng)，但仍以空拉時(shí)最大;應(yīng)變量則明顯地減小，證明外加陰極電位促進(jìn)了焊縫的應(yīng)力腐蝕破裂。將表4 與表3比較可以看出，在相同的外加電位下，焊縫比母材的斷裂壽命明顯減少。

6 結(jié)果分析

6.1 電位分析

表3、表4表明，隨著電位的負(fù)向增大，抗拉強(qiáng)度逐漸增大，斷裂壽命逐漸減小，并且其減小量受電位影響很大，呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。外加電位有利于陰極保護(hù)，促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕破裂的產(chǎn)生，并且外加電位數(shù)值越大，應(yīng)力腐蝕敏感性越強(qiáng)。

6.2 應(yīng)力腐蝕機(jī)理分析

各種金屬材料在不同的介質(zhì)中，隨著陽(yáng)極極化程度的不同及鈍化膜形成的趨勢(shì)，將決定能否產(chǎn)生局部的集中的陽(yáng)極反應(yīng)[7]。

在X80鋼的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中，在應(yīng)力作用下，裂紋尖端產(chǎn)生塑變區(qū)，滑移結(jié)果使晶格缺陷增加，C、N等原子容易向缺陷處擴(kuò)算形成偏析，這就形成了一條易于腐蝕的大致連續(xù)的路線，即活性通道（由于局部應(yīng)力集中及由此產(chǎn)生的應(yīng)變引起的陽(yáng)極晶界區(qū)）。在高pH值溶液中進(jìn)行SSRT過(guò)程中可能進(jìn)行如下反應(yīng)：

說(shuō)明X80鋼的應(yīng)力腐蝕主要是陽(yáng)極溶解和在外加電位保護(hù)下的析氫腐蝕。

7 結(jié)論

①母材和焊縫的腐蝕敏感性都會(huì)受到外加電位的影響，并且電位的負(fù)向值越大時(shí)，受到的影響越明顯。隨著外加電位的負(fù)移，母材和焊縫的斷裂時(shí)間、斷面收縮率、應(yīng)變量都明顯變小，X80管線鋼及焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性增加，施加相同外加電位時(shí)，焊接接頭較母材的應(yīng)力腐蝕敏感性增加。

②在相同的外加電位下，焊縫比母材更易受到應(yīng)力腐蝕的影響，斷裂壽命明顯減少，即焊縫更易受到腐蝕，焊縫的焊縫區(qū)的應(yīng)力腐蝕敏感性大于母材。

③X80鋼的應(yīng)力腐蝕主要是陽(yáng)極溶解和在外加電位保護(hù)下的析氫腐蝕。

參考文獻(xiàn)

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