不同應力三軸度下電化學充氫對X80管線鋼性能影響*

封 輝，朱興華

（1.中國石油集團工程材料研究院有限公司，西安 710077； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安 710077； 3.煙臺魯寶鋼管有限責任公司，山東 煙臺 264000）

0 前 言

管道輸送是一種經濟高效的實現天然氣長距離輸送的方式，近年來，隨著我國天然氣管道建設及運營里程不斷增加，管道輸送技術得到了快速發展。但由于天然氣管道服役環境復雜，部分輸氣介質含硫化氫等酸性組分或天然氣氫氣混合輸送，輸氣管道面臨氫脆失效風險[1-3]；另一方面，管道金屬材料與周圍介質接觸時，會發生化學或電化學反應，也會導致管道材料金屬缺失或氫脆現象[4-5]。研究人員對油氣輸送用管線鋼的氫脆現象及適用性評價做了大量研究，趙穎[6]研究了X70 管線鋼充氫后力學行為的變化，結果表明，充氫對X70管線鋼的強度沒有顯著的影響，主要降低了材料的塑性，從而降低了材料的斷裂延性和斷裂強度；Cheng等[7]研究發現在電化學充氫條件下，富Si和富Al的氧化物先于MnS 夾雜萌生氫致裂紋，并且氫致裂紋極易在氧化鋁夾雜間擴展；陳富強[8]采用電化學方法測試了不同溫度下氫在X80管線鋼中的擴散系數，認為在較高的溫度下，材料內部氫含量較高，氫脆敏感性大。

管線鋼的氫脆現象及機理已有較多研究[1,9,10]，但對于含缺陷管道，管道材料在缺陷位置應力狀態發生改變，在該條件下氫對管線鋼材料性能影響規律報道較少。本研究采用缺口拉伸試樣模擬含缺陷管道應力狀態，研究氫對X80 管線鋼性能的影響，以期為輸氣管道安全運行提供理論指導。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗選用X80鋼級Φ1 422 mm×25.7 mm直縫埋弧焊管，化學成分見表1，微觀組織如圖1 所示。由圖1可以看出，其微觀組織主要由針狀鐵素體組成，晶粒尺寸較小，針狀鐵素體寬度為2 mm左右，晶粒度約為11級。

圖1 試驗用X80管線鋼微觀組織

表1 試驗用X80管線鋼管化學成分 %

1.2 不同應力三軸度拉伸試驗

在管體與焊縫夾角180°的位置加工棒狀拉伸試樣，試樣標距50 mm，標距段試樣直徑8.9 mm，試樣尺寸如圖2 所示。棒狀拉伸試樣在標距中心位置加工不同尺寸缺口，得到不同應力三軸度拉伸試樣，對應關系見表2。拉伸試驗依據ASTM A370 在UTM5305 試驗機上進行，拉伸應變速率為2×10-5s-1。

圖2 棒狀拉伸試樣尺寸示意圖

表2 不同應力三軸度的試樣缺口尺寸

1.3 電化學充氫試驗

不同應力三軸度拉伸試樣加工完成后在0.5 mol/L H2SO4溶液中進行電化學充氫，電流密度50 mA/cm2，充氫試驗分別為0 h、8 h、24 h，通過排氣法測得試樣中氫的體積分數分別為0%、0.000 16%、0.000 25%。充氫后試樣立即進行空氣環境拉伸試驗，研究不同應力三軸度條件下氫對X80 管線鋼拉伸性能影響。采用JEM-ARM200F 型電子掃描顯微鏡對應力三軸度分別為1.02 和1.25 的充氫與未充氫缺口拉伸試樣斷口進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 η=1.02試樣的拉伸試驗結果

圖3 為不同充氫條件下X80 管線鋼應力三軸度η=1.02 試樣的拉伸應力-應變曲線，隨著氫含量的不斷增加，X80管線鋼抗拉強度呈現下降趨勢。表3 為不同充氫條件下試樣抗拉強度對比，可以看出，隨充氫時間延長，X80管線鋼最大載荷降低，抗拉強度降低，當充氫8 h 后，抗拉強度為988.2 MPa，與未充氫試樣相比降低了約1.3%；當充氫24 h 后，抗拉強度為935.1 MPa，與未充氫試樣相比降低約6.6%，說明充氫環境降低X80管線鋼缺口抗拉強度。

圖3 不同充氫條件下η=1.02試樣拉伸應力-應變曲線

表3 不同充氫條件下η=1.02試樣拉伸試驗結果

為研究充氫條件對X80 管線鋼塑性損失的影響，計算不同充氫條件下X80 管線鋼在應力三軸度η=1.02 條件下的斷面收縮率，結果分別為59.8%、56.5%和53.1%。可以看出，充氫環境降低了X80 管線鋼缺口試樣斷面收縮率。圖4為未充氫及充氫24 h 條件下X80 管線鋼應力三軸度η=1.02 試樣拉伸斷口宏觀及微觀形貌，可以看出，充氫前后缺口拉伸試樣芯部位置斷口均為韌窩撕裂為主的韌性斷裂，但充氫后的試樣斷口更加平齊。

圖4 充氫前后η=1.02試樣拉伸斷口形貌

2.2 η=1.25試樣的拉伸試驗結果

圖5 為不同充氫條件下X80 管線鋼應力三軸度η=1.25 試樣的拉伸應力-應變曲線，從圖5可以看出，隨著氫含量的不斷增加，X80 管線鋼抗拉強度同樣呈現下降趨勢；表4 為不同充氫條件下的抗拉強度對比，從表4 可以看出，隨充氫時間的延長，X80 管線鋼的最大載荷降低，抗拉強度降低，當充氫8 h 后，抗拉強度為1 089.1 MPa，與未充氫試樣相比抗拉強度降低了約5.5%；當充氫24 h 后，抗拉強度為1 038.5 MPa，與未充氫試樣相比降低約9.9%，說明充氫環境降低了X80 管線鋼缺口試樣抗拉強度。

圖5 不同充氫條件下η=1.25試樣拉伸應力-應變曲線

表4 不同充氫條件下η=1.25試樣拉伸試驗結果

計算不同充氫條件下X80 管線鋼在應力三軸度η=1.25 條件下的斷面收縮率，計算結果分別為62.8%、55.7%和50.7%。從結果可以看出，充氫環境會降低X80 管線鋼缺口試樣斷面收縮率。圖6 為未充氫及充氫24 h 條件下X80管線鋼應力三軸度η=1.25 試樣拉伸斷口宏觀及微觀形貌。從圖6 可以看出，缺口拉伸試樣斷口均為韌窩撕裂為主的韌性斷裂。電化學充氫后進行拉伸試驗，并未顯著改變X80 管線鋼斷口形貌，與試樣斷面收縮率結果相符合。

圖6 充氫前后η=1.25試樣拉伸斷口形貌

3 討 論

由圖3 和圖5 可知，對于應力三軸度為1.02及1.25的缺口拉伸試樣，隨充氫時間的延長，抗拉強度略有下降，但下降幅度較小。通常認為，電化學充氫對拉伸試樣的抗拉強度影響較小，大量不同材料的光滑圓棒慢拉伸試驗也得到了相似的結果[6,11-12]。但在本研究中，試樣為缺口拉伸試樣，變形位置存在一定程度應力集中，導致材料抗拉強度略有降低。另一方面，在電流密度為50 mA/cm2的電化學充氫條件下，試樣表面可能出現了包括微裂紋在內的不可逆氫損傷，在一定程度上導致材料抗拉強度的降低。

充氫后的拉伸試樣斷口主要為韌窩撕裂特征，微觀形貌上可以觀察到橢圓狀的空洞，這些空洞的形成可能是由于夾雜物作為氫的陷阱，原子氫在夾雜與基體的界面上富集，在隨后的拉伸過程中，由于夾雜處的應力集中，可擴散的氫原子繼續向夾雜處富集，直至韌窩斷裂，上述斷口形貌與張穎瑞等[5]研究結果一致。劉玉等[4]采用電化學充氫過程中原位慢拉伸試驗方法研究X80管線鋼氫脆敏感性，拉伸變形過程中環境介質中氫離子持續轉化為氫原子并向缺陷處富集，斷口觀察到解理斷裂特征。本研究關注X80管線鋼不同應力三軸度試樣電化學充氫后進行拉伸性能變化，變形過程中缺陷處富集的氫主要來源于電化學充氫后進入試樣的氫，與原位慢拉伸中充氫環境存在差異，因此斷口形貌與原位慢拉伸不同。

已有研究表明，試樣的應力狀態可以影響氫在材料內部的擴散[13-15]。本研究發現，在電流密度同為50 mA/cm2、充氫8 h 條件下，應力三軸度由1.02 升高到1.25，材料抗拉強度降低幅度由1.3%升高至5.5%；充氫24 h 條件下，材料抗拉強度降低幅度隨應力三軸度升高，由6.6%升高至9.9%。由此可知，管線鋼材料的初始應力三軸度在充氫條件下對拉伸性能有較大影響，初始應力三軸度越大，應力集中程度越高，氫更容易在材料內部擴散聚集，材料的抗拉強度越低。

4 結 論

（1）在電流密度為50 mA/cm2電化學充氫條件下，隨著氫含量的增加，X80管線鋼拉伸性能降低。對于初始應力三軸度相同的試樣，隨充氫時間延長，材料的缺口試樣抗拉強度降低。

（2）對于X80管線鋼在電流密度50 mA/cm2、充氫8 h 條件下，缺口拉伸試樣初始應力三軸度由1.02 升高到1.25，材料抗拉強度降低幅度由1.3%升高至5.5%；充氫24 h 條件下，材料抗拉強度降低幅度隨應力三軸度升高由6.6%升高至9.9%。綜上，管線鋼材料的初始應力三軸度在充氫條件下對拉伸性能有較大影響，初始應力三軸度越大，應力集中程度越高，氫更容易在材料內部擴散聚集，材料的抗拉強度越低。