阴极保护条件下X80钢在新疆农田土壤和模拟溶液中的氢脆敏感性差异研究

孙冰冰

（中国石油西部管道公司,乌鲁木齐660008）

西部管道所属的西气东输一、二、三线西段均采用高钢级、大口径、高压力管道,而且新建天然气管道一类地区的设计系数有从0.72提高到0.8的趋势。这些对于提高管道输送效率,降低管道建设成本都起到了重要作用。但高钢级钢材存在一个最大的隐患就是氢脆敏感性比较大［1-4］,析氢过电位比较低,在采用阴极保护进行腐蚀控制的过程中,如果沿用传统的低钢级管线钢-0.85～-1.2V（CSE,下同）的准则,高强钢可能产生过保护问题,导致管线氢脆失效。近年来,国内外研究者通过配置土壤模拟溶液,对土壤环境中阴极保护导致高强钢氢脆开展了大量的工作。郏义征、王炳英等［5-6］研究了X70～X120系列钢级管线钢在NS4模拟溶液中阴极保护与氢脆的关系；P.L等［7］研究了X70、X80钢在模拟碱性土壤溶液、鹰潭酸性土壤溶液中阴极保护与土壤应力腐蚀开裂的关系。但模拟溶液与真实土壤之间的规律是否一致,土壤模拟溶液中得出的结论能否指导现场应用还需要进行进一步研究。本工作选择西部管道用大管径X80钢,通过外加阴极保护电位下的慢应变速率拉伸试验结合阴极极化曲线对比分析试样在土壤及其模拟溶液中氢脆敏感性的变化规律,一方面给出新疆农田土壤环境中材料发生氢脆的电位区间,为现场阴极保护设计和控制提供依据,另一方面,分析利用土壤溶液对X80钢进行氢脆敏感性研究的可行性,为以后的研究提供可靠依据。

1 试验

试验采用西部管道用大管径X80钢,其化学成分（质量分数/%）为：C 0.070,Si 0.21,Mn 1.61,S 0.002 5,P 0.081,Mo 0.13,Ti 0.012,Nb 0.041,Ni 0.012,Cu 0.14,余量为铁。,慢应变速率试验取样方法参照ISO 3183-2012规定,垂直于钢板的轧制方向切取棒状试样。试验前试样表面用水砂纸逐级打磨至800号,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。极化曲线测试采用标准方形试样,试样尺寸为10mm×10mm×3mm。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,暴露面积为1cm2。将封装好的试样打磨到800号后清洗干燥备用。

选取西部典型的农田土进行理化性能测试,土壤为近中性环境,pH为7.13,离子含量如表1所示,根据测试结果配置土壤模拟溶液,并用实际干土加去离子水配置土壤水饱和土。饱和水土壤处理方式如下：现场取回的土壤（现场管道埋深附近）在实验室内经过烘干、粉碎、过筛除去碎石和残留物质,然后添加蒸馏水（约30%）作为饱和水土壤。

慢应变拉伸试验分别在空气中、不同外加电位条件下的真实土壤以及土壤模拟溶液中进行,拉伸速率为10-6·s-1,试验温度为室温。试验前预加恒电位持续24h后开始边加电位边进行拉伸。

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（SCE）,用电化学工作站在农田饱和水土壤和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。

表1 土壤模拟液化学成分Tab.1 West farmland soil ion composition

2 结果与讨论

图1为X80管线钢在农田土壤模拟溶液和农田水饱和土壤中不同外加电位条件下的慢应变拉伸曲线。由曲线图上可以看出,在农田水饱和土壤及其模拟溶液中的拉伸曲线规律一致,与空拉相比,两种环境中外加阴极保护电位条件下X80管线钢的抗拉强度略有降低,延伸率明显下降,表现出氢脆敏感性。

图1 不同外加阴极保护条件下的慢应变拉伸曲线Fig.1 Slow strain tensile curves at different cathodic protections potential in farmland soil simulationsolution（a）and farmland water saturated soil（b）

根据式（1）、式（2）可以计算材料的断面收缩率Ψ和延伸率δ,其中S0为试验前截面面积,L0为试验前试样标距段长度,S为试验后截面面积,L为试验后试样标距段长度。图2（a）为试样在土壤模拟溶液中不同外加电位下的试验结果,图2（b）为试样在水饱和土壤中不同外加电位下的试验结果。从图中可以看出,在两种介质环境中,断面收缩率和延伸率随阴极保护电位的负移,均逐渐增加。说明阴极保护电位的负移会导致X80管线钢氢脆敏感性增加。

空气中拉伸试样断口的扫描电镜照片如图3所示。从图中可以看出,断口出现明显的紧缩,断口形貌为韧窝状。图4和图5分别为试样在农田土壤模拟溶液和土壤中的断口形貌。从图中可以看出,两种环境中,随着外加电位的负移,断口的脆性均逐渐增加。在土壤模拟溶液中,外加电位为-0.90V（CSE）拉伸试样断口边缘位置呈现出脆性；-1.10V（CSE）电位下,试样断口发生很小的塑性变形,并在断口内部出现裂纹；-1.14V（CSE）电位下,断口几乎没有塑性变形,断口形貌从中心到边缘均呈现出脆性。在土壤环境中,-0.82V（CSE）电位下,断口出现明显的颈缩,断口中心形貌为韧窝状,但在边缘位置呈现出脆性；-1.2V（CSE）和-1.22V（CSE）电位下,断口几乎没有塑性变形,断口形貌从中心到边缘均呈现出脆性。

图2 不同外加阴极保护条件下的延伸率和断面收缩率Fig.2 Elongation and area reduction at differentcathodic protection potentials in farmland soil simulation solution（a）and farmland water saturated soil（b）

图3 X80管线钢在空气中拉伸断口形貌Fig.3 Fracture morphology of X80pipeline steel in air

图6为X80管线钢在农田土壤及其模拟溶液中的阴极极化曲线。由图中可以看出,二者的开路电位一致,均为-0.72V（CSE）,随着极化电位的不断负移,当电位值大于-1.0V（CSE）时,同样的极化电位下,土壤模拟溶液中的电流密度开始逐渐大于土壤中的电流密度。由于溶液和土壤中的含氧量有限,在-1.0V（CSE）电位以下,阴极反应主要发生氢的析出,因此在同样的阴极保护电位下,土壤模拟溶液中产生的析氢量要高于在土壤中。

图4 不同外加电位下,X80管线钢在农田土壤模拟溶液中拉伸断口形貌Fig.4 Fracture morphology of X80pipeline steel in farmland soil simulation solution at different applied potentials

根据式（3）可以计算X80管线钢在不同外加电位下的氢脆系数。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。氢脆系数可以作为氢脆敏感性的判据［8-10］,根据计算结果划分氢脆区间如图7所示,FH＞35%,视为脆断区,材料在该条件下肯定会发生氢脆；25%≤FH≤35%,材料在该条件下有氢脆潜在危险；FH＜25%,视为安全区,材料在该条件下不会发生氢脆。

图5 不同外加电位下,X80管线钢在农田水饱和土壤中拉伸断口形貌Fig.5 Fracture morphology of X80pipeline steel in farmland water saturated soil at different applied potentials

由图中可以看出,不同外加电位条件下,X80管线钢在农田土壤环境下的氢脆系数更高。这与阴极极化曲线的测试结果一致,同样的阴极保护电位下,土壤模拟溶液中产生的氢含量要高于土壤中的氢含量,而慢拉伸塑性损失是由于在应力作用下,进入材料中的氢向三向应力集中区域富集导致的［11-12］。因此,X80钢在农田土壤环境中的氢脆敏感性要低于在农田土壤模拟溶液环境中。

根据电位区间划分,农田土壤环境中,阴极保护电位达到-1.15V（CSE）,X80钢进入脆断区；模拟溶液中阴极保护电位达到-1.10V（CSE）,X80钢进入脆断区。两种环境条件下电位相差50mV,比较接近且土壤模拟溶液中的电位更正,因此利用土壤模拟溶液对X80钢进行氢脆敏感性研究更偏保守,是适宜的。

3 结论

（1）在农田土壤和模拟溶液中,随阴极保护电位的负移,X80钢的断面收缩率和延伸率逐渐降低,氢脆敏感性增加。

（2）农田土壤环境中,阴极保护电位达到-1.15V（CSE）,X80钢进入脆断区；模拟溶液中阴极保护电位达到-1.10V（CSE）,X80钢进入脆断区。

（3）X80钢在模拟溶液中的氢脆敏感性高于在土壤中测试获得的数据,因此利用土壤模拟溶液对X80钢进行氢脆敏感性研究更偏保守,是适宜的。

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