杨永和 胡江锋 丁融 吴建成 徐春燕 李振军 方卫林 孙冰冰 王修云 邢云颖

中石油西部管道公司科技信息服务中心

 

【摘要】在外加阴极保护电位下，采用慢应变速率拉伸实验、动电位极化方法及SEM，对比分析了西部管道大口径X80钢在农田、戈壁和沙漠等新疆三种典型土壤模拟溶液中的氢脆行为。结果表明，三种典型土壤的模拟溶液中X80钢均发生强度和塑性损失，表现出氢脆敏感性，且在不同环境中，随着土壤电导率的增加和pH值的降低，其氢脆敏感性增加。

【关键词】X80管线钢 阴极极化 土壤模拟溶液 氢脆

 

为降低工程成本，西气东输一、二、三线西段均采用高钢级、大口径、高压力管道，采取防腐层外加阴极保护的腐蚀控制措施。但高钢级钢材由于强度的提高其氢脆敏感性增加[1-3]，一旦防腐层发生破损或存在漏点，过负阴极保护电位下管线容易发生氢脆失效。以往关于阴极保护导致高强钢氢脆的研究多集中在海水环境中，许多学者通过配置人工海水研究不同类型高强钢氢脆敏感性随保护电位的变化规律并给出了最佳阴极保护范围[4-9]。

近年来，随着埋地管线钢钢级强度的提高， 土壤环境下的氢脆问题逐渐突出，国内外学者陆续展开相关研究[10-13]，其中国内常用的介质环境以酸性鹰潭土壤模拟溶液和碱性库尔勒模拟溶液为主。西气东输三线西段经过新疆、甘肃及宁夏三省区， 所经地区地貌类型较复杂，平原、戈壁和荒漠等不同区域土壤理化性质存在差异，对比分析不同土壤环境对氢脆敏感性的影响规律，可以为不同土壤环境中的阴极保护设计提供理论依据。本研究选择农田、戈壁和沙漠这三种新疆典型的土壤，在外加阴极保护电位下，采用慢应变速率拉伸实验、动电位极化方法及SEM，对比分析了西部管道用大口径X80钢的氢脆行为规律。

1 实验方法

实验用X80钢取自西部管道用大口径管线，其化学成分（质量分数，%）为：C 0.070，Si 0.21， Mn 1.61，S 0.0025，P 0.081，Mo 0.13，Ti 0.012， Nb 0.041， Ni 0.012，Cu 0.14，Fe余量。金相照片如图1所示，组织分布均匀细小，以珠光体和铁素体为主。

 

图1 X80钢金相组织分析

慢应变速率拉伸实验采用棒状试样，取样方法参照ISO3183规定，垂直于钢板的轧制方向。实验前，将试样表面用水砂纸逐级打磨至800#，打磨方向与拉伸方向一致，用蒸馏水和酒精清洗，干燥后备用。电化学测试采用暴露面积为1cm×1cm的方块试样，试样由环氧树脂（120g环氧树脂+30g 邻苯二甲酸二丁酯+10g乙二胺）封装，背面引出导线。测试前用水砂纸逐级打磨至800#，用蒸馏水和酒精清洗，干燥后备用。

现场选取农田、沙漠和戈壁三种西部典型的土壤进行理化性能测试，离子含量、土壤浸出液电导率和pH如表1所示。从表中可以看出，三种土壤中的离子含量和电导率差别较大，其中沙漠远高于戈壁和农田；三种土壤的pH略有差别，沙漠为6.24 相对偏酸性，戈壁和农田接近中性。实验时根据测试结果配置模拟溶液。

表1 三种土壤的离子成分

 

 

慢应变速率拉伸实验分别在空气中、-1.1Vvs. CSE电位条件下的三种土壤模拟溶液中进行，拉伸速率为10-6s-1，实验温度为室温。实验前，预加恒电位持续24小时后开始边加电位边进行拉伸。实验结束后，将试样依次用蒸馏水、无水酒精清洗后烘干，采用扫描电镜（SEM）对拉伸棒的断口进行分析。电化学测试采用三电极体系，X80钢试样作为工作电极，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，用电化学工作站在三种土壤模拟溶液中从自腐蚀电位向负向扫描，测试阴极极化曲线。

2 实验过程与结果

2.1 电化学测试

X80钢在农田、戈壁和沙漠三种土壤模拟溶液中的动电位极化曲线如图2所示。从图中可以看出，三种环境下的开路电位均在-0.72Vvs.SCE 附近，随着极化电位的不断负移，电流密度逐渐增加。极化电位在-1.0Vvs.SCE电位以上时， 三种环境中的极化曲线基本重合；当极化电位负于-1.0Vvs.SCE时，随着极化电位的负移，三种环境中的电流密度差距逐渐增加，同样的极化电位下，三种环境中电流密度从小到大顺序依次为农田、戈壁和沙漠。

 

图2 X80钢在三种模拟溶液中的极化曲线对比

2.2 慢应变速率拉伸

X80管线钢在农田、戈壁和沙漠三种土壤模拟溶液中-1.1Vvs.SCE电位下的慢应变拉伸曲线以及在空气中慢应变拉伸曲线如图3所示。从图中可以看出，与空气中慢拉伸相比，在不同土壤模拟溶液中边加电位边进行慢拉伸X80钢的强度σb和延伸率δ均发生不同程度的降低，强度σb和延伸率δ由大到小依次为农田、戈壁和沙漠。

 

 

图3 不同环境中的慢应变拉伸曲线

为了进一步分析材料的塑性损失，根据公式（1） （式中Ψ为断面收缩率，S0为实验前截面面积，S为试验后截面面积）计算X80钢的断面收缩率，得出：在农田土壤模拟溶液中断面收缩率为50.8%， 在戈壁土壤模拟溶液中断面收缩率为40.8%，在沙漠土壤模拟溶液中断面收缩率为26.7%。

 

根据公式（2）（式中FH为氢脆敏感系数，ψ0 为在空气中拉伸的断面收缩率，ψ为材料在介质中拉伸时的断面收缩率）计算X80管线钢在不同环境中的氢脆系数，得出：在农田土壤模拟溶液中氢脆系数FH为34.1%，在戈壁土壤模拟溶液中氢脆系数FH为47.2%，在沙漠土壤模拟溶液中氢脆系数FH为65.5%，氢脆敏感性依次增加。

 

2.3 断口形貌观察

不同条件下拉伸断口的扫描电镜照片如图4 所示，图a为空气中的拉伸断口，宏观断口出现明显的紧缩（图a1），微观断口形貌为韧窝状（图a2）。图b~d依次为农田、戈壁和沙漠三种土壤模拟溶液中-1.1Vvs.SCE电位下的断口形貌。与空气中相比，三种模拟溶液中断口的颈缩程度依次减小，微观形貌以准解理状形貌为主，说明在-1.1Vvs.SCE电位下不同土壤模拟溶液中X80钢具有明显的氢脆敏感性，同时也表明X80钢的氢脆敏感性会受到外部环境的影响，三种土壤环境对断口的影响规律与前面的计算结果一致。

 

3 分析讨论

在土壤模拟溶液中，随极化电位的负移，阴极首先发生吸氧反应，如式（3）所示；当极化电位达到析氢过电位时阴极才会发生析氢反应，如式（4）和式（5）所示。由于土壤模拟溶液中的溶解氧含量有限，随着电位的继续负移，氧的还原电流会达到氧极限扩散电流密度，阴极主要以析氢电流密度为主。从图2中三种土壤环境中的阴极极化曲线可以看出，在-0.9Vvs.SCE电位附近， 存在析氢反应和吸氧反应的转折拐点，在转折点电位以下，阴极析氢反应占主导作用。因此较负电位下三种土壤环境中极化曲线的差异，主要是由于同样的电位下三种环境中析氢电流密度不同导致的。

 

 

根据表1分析三种土壤模拟溶液的离子成分与理化性质，沙漠、戈壁和农田土壤的离子含量依次升高，农田土壤模拟溶液中的离子含量最高， 电导率为5040μs/cm；戈壁土壤模拟溶液中的离子含量次之，电导率为815μs/cm；沙漠土壤模拟溶液中的离子含量最低，电导率为364μs/cm。同时，三种土壤模拟溶液中的pH值也依次增加，两种因素均导致同样的电位下阴极析氢电流密度依次增加。

阴极析氢首先是氢离子还原成吸附在电极表面的氢原子，绝大部分吸附氢原子复合脱附或者电化学脱附结合成氢分子形成气泡析出；另一部分吸附氢原子进入金属并向内部扩散。在慢应变拉伸条件下，氢原子会向裂尖扩展，并形成气团阻碍位错的滑移，导致脆性增加[14]。图2中在-1.1Vvs.SCE电位下，阴极电流密度由大到小依次为沙漠、戈壁和农田土壤模拟溶液，即三种模拟溶液中的阴极析氢电流密度逐渐降低，析氢电流密度越高，阴极产生的吸附氢原子数量越多， 能够扩散进入X80钢内部的氢原子数量也越多，导致此环境下的氢脆敏感性越高，这与不同环境中由慢应变拉伸试验得到的氢脆系数结果一致。

4 结论

（1）在外加-1.1Vvs.CSE电位条件下，农田、戈壁和沙漠这三种新疆典型土壤的模拟溶液中X80 钢均发生强度和塑性损失，表现出氢脆敏感性。

（2）同样的外加电位下，不同土壤模拟溶液中的氢脆敏感性不同，由大到小的排序依次为沙漠土、戈壁土和农田土；

（3）阴极析氢电流密度是影响氢脆敏感性的主要因素，同样的外加电位下，随着土壤电导率的增加和pH值降低，阴极析氢电流密度增加，材料的氢脆敏感性增加。

参考文献：

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作者简介：

杨永和，中国石油西部管道酒泉输油气分公司经理， 高级工程师。