X70钢和X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中的氢脆敏感性

杨耀东，鲁旷达，曹文海，马如飞，张 雷，路民旭

（1.中国空间技术研究院，北京100094；2.北京科技大学新材料技术研究院，北京100083）

X70钢和X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中的氢脆敏感性

杨耀东1，鲁旷达2，曹文海2，马如飞2，张 雷2，路民旭2

（1.中国空间技术研究院，北京100094；2.北京科技大学新材料技术研究院，北京100083）

采用动态充氢的试验方法，研究X70，X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中的氢脆敏感性，即在对X70钢和X80钢试样施加过负阴极保护电位的同时，对试样进行慢应变速率试验。结果表明，随着阴极保护电位变负，X70钢和X80钢的氢脆敏感性均有所增强，在相同的阴极保护电位下，X80钢的氢脆风险大于X70钢。

X70钢；X80钢；阴极极化；慢应变速率试验；氢脆

高强度管线钢的开发和使用不仅可以在不影响输气安全的前提下减少壁厚，从而实现油气管道的高压高效输送，并且能够降低油气管线的成本。高压输送采用高钢级别管材是石油天然气管道发展的重要趋势［1-2］。在油气输运管道中，常采用阴极保护来抑制钢材的外腐蚀。然而，阴极保护电位过负造成的钢材“过保护”会导致阴极过量析氢，容易产生氢致开裂风险。

钢的强度级别越高，其氢脆敏感性也越高。目前，中、低强度钢材的阴极保护设计已经有了较为丰富的实验室研究与实践经验，规范钢材阴极保护工程实施的标准也较为详尽。但是，对于屈服强度＞550 MPa的高强度钢材，其氢脆敏感性与低强度钢相比将有较大提高。因此，高强管线钢阴极保护参数的设定不仅要能够抑制其阳极溶解速率，更要避免其氢脆断裂。但是，针对高强钢在阴极保护条件下氢脆敏感性的基础研究目前还比较缺乏，其最大阴极保护电位目前仍不明确［3］。

英国C.BATT［4］研究认为，700 MPa的Welddox700钢和900 MPa的900钢在天然海水中的最佳保护电位为-0.77 V（vs.SCE，下同），在灭菌海水中为-0.79 V，即在该电位下钢材腐蚀速率降至0.001 mm/a以下，且不会引起氢脆。法国的L. Coudreuse［5］则认为将保护电位从-1.05 V提高到-0.85 V，材料发生氢脆的影响可以大大降低。美国根据对在役高强钢的调查结果认为，屈服强度大于700 MPa钢的电位负于-0.95 V即会引起氢脆，屈服强度大于800 MPa的钢，电位负于-0.80 V即可引起氢脆［6］。邱开元、王海江［7-8］等研究了阴极极化电位对16Mn钢和12Cr Ni3Mo V钢的氢脆敏感性影响，结果表明，16Mn钢在保护电位负于-0.90 V时，断面收缩率突然减小，氢脆敏感性急剧增强，12Cr Ni3MoV钢在保护电位-1 200 mV时短裂纹扩展加速，氢脆敏感性增强。杨兆艳［9］等研究了阴极极化对907钢在海水中氢脆敏感性的影响，表明，当电位负于-1.06 V时，907钢的脆化系数迅速增大；当电位负于-1.11 V时，脆化系数进入脆断区。

本工作通过X70钢和X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中进行的阴极极化和慢应变速率试验，研究钢的力学性能变化和慢拉伸断口变化规律。通过计算管线钢的断面收缩率，获得两种管线钢的氢脆敏感性差异。

1 试验

1.1 试验材料

以X70钢和X80钢为试验材料，其金相组织如图1所示。X70钢的金相组织为铁素体+带状珠光体，其中白色组织为铁素体，黑色组织为珠光体。X80的金相组织为铁素体+珠光体，组织分布较X70钢更均匀，晶粒较X70更细，珠光体弥散分布。

图1 试验用钢的金相组织Fig.1 Microstructure of the tested steels

1.2 试验溶液及化学成分

试验溶液为江西鹰潭土壤模拟溶液，其化学成分如表1所示，溶液由去离子水和分析纯试剂配制。

表1 试验溶液的化学成分Tab.1 Chemical composition of the experimental solution g·L-1

1.3 慢应变速率试验

慢拉伸试验装置与试样尺寸如图2所示。拉伸取样垂直于钢板的轧制方向，即横向取样，样品为棒材。先用恒电位仪对试样预充氢24 h，再将试样、介质盒、三电极体系整体移至慢拉伸试验机上进行动态充氢，即在拉伸的同时进行充氢，慢拉伸应变速率取1×10-6/s。

2 结果与讨论

图3为X70钢和X80钢在空气中，施加不同阴极保护电位模拟溶液中的SSRT曲线。

图2 慢拉伸试验装置与试样尺寸Fig.2 SSRT device and specimen size

图3 不同管线钢在不同条件下的慢拉伸曲线Fig.3 SSRT curves of X70 and X80 steel under different conditions

由图3可见，对于同种材料，随着阴极保护电位的负移，拉断时的应变量明显减小。即随着保护电位变负，材料出现了明显的塑性损失。这一结果与程远、李超等［10-11］的研究结果一致，其研究表明，对于南雄土壤模拟溶液中的X80钢和酸性土壤模拟溶液中的X100钢，当阴极电位过负时，氢脆机制起主要作用，且随着阴极电位负移，材料氢脆敏感性显著提高。

图4～图6为X70和X80钢在不同条件下慢拉伸后的断口宏观形貌。

图4 空气中X70、X80钢的慢拉伸断口形貌Fig.4 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel in air

图5 -0.9 V（vs.SCE）下X70、X80钢的慢拉伸断口形貌Fig.5 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel at-0.9 V（vs.SCE）

图6 -1.1 V（vs.SCE）下X70、X80钢的慢拉伸断口形貌Fig.6 SSRT fracture morphology of X70 and X80 steel at-1.1 V（vs.SCE）

由图4～6可见，在空气中慢拉伸时，两种管线钢的断口均为韧性断口，有明显的颈缩与剪切唇。在-0.9 V（vs.SCE）下，X70钢仍然为韧性断口，有明显颈缩与剪切唇；而X80钢兼具韧性断口与脆性断口的特征，颈缩量有所减小。在-1.1 V（vs. SCE）下，X70钢仍然为韧性断口，有明显颈缩与剪切唇；X80为明显的脆性断口，颈缩量很小。该现象与赵颖，张士欢等对X70和X80管线钢在慢拉伸试验中的断口形貌的研究结果一致［12-13］。

X80钢出现这种现象是因为，当对拉伸试样进行较负的阴极保护时，试样表面会发生析氢反应，产生的氢有一部分进入金属。在低速变形时，氢在应力诱导作用下向高的三向拉应力区扩散聚集，当氢含量富集到某一临界值时，裂纹会过早地形核和扩展，从而使材料的塑性下降，表现为试样的断面收缩率减小［14］。而X70钢的强度较低，相应地，氢脆敏感性较低，氢所引起的塑性损失较小。

计算不同管线钢在不同条件下慢拉伸后的断面收缩率：

式中：S0为拉伸前试样截面积，S为拉伸后试样截面积。计算结果如图7所示。

由图7可以看出，随着保护电位变负，X70钢的断面收缩率变化不大，X80钢的断面收缩率有较大变化。这说明，随着电位变负，X70钢的塑性损失小于X80钢。

通常可以用氢脆敏感系数FH对材料的氢脆敏感性进行评价［15］，定义FH如下：

式中：ψ0为试样干燥空气中的断面收缩率；ψ为试样在试验条件下的断面收缩率。以氢脆敏感系数FH作为判据，认为当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。计算2种钢在不同电位下的氢脆敏感系数，如图8所示。

图7 两种管线钢在不同条件下慢拉伸后的断面收缩率Fig.7 Percentage reduction of area of two kinds of steel under different conditions

图8 2种钢在不同电位下的氢脆敏感系数Fig.8 Hydrogen embrittlement susceptibility coefficients of two kinds of steel at different potentials

图8 结果表明，在同一电位条件下，X80钢的氢脆敏感系数明显高于X70钢；同一种管线钢随着阴保电位变负，氢脆敏感系数升高；对于材料在服役环境中的安全性，可以以氢脆敏感系数FH来作为判据之一，如图中所示-1.1 V保护下的X80钢的氢脆敏感系数处在25%～35%之间，说明材料在该条件下有氢脆潜在危险。-0.9 V保护电位下的X80钢，X70钢和-1.1 V保护下的X70钢的氢脆敏感系数＜25%，氢脆风险小，尤其是X70钢，氢脆敏感系数小于X80钢，氢脆风险较小。

3 结论

（1）X80钢随着阴极保护电位负移，SSRT断口由韧性断口向脆性断口转变，剪切唇和颈缩逐渐消失，断面收缩率减小，氢脆敏感系数增大；在本次试验电位范围内，随着阴极保护电位变负，X70钢的断口保持为韧性断口，氢脆敏感系数低于X80钢。

（2）X80钢在-1.1 V保护电位下有氢脆潜在危险；在-0.9 V保护电位下，氢脆敏感系数为34.1%，存在潜在的氢脆风险。X70钢在-1.1 V和-0.9 V保护电位下，最大氢脆敏感系数仅为1.5%，氢脆风险较小。即X80钢的氢脆敏感性大于X70钢。

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Susceptibility of X70 and X80 Steels to Hydrogen Embrittlement in Yingtan Simulated Solution

YANG Yao-dong1，LU Kuang-da2，CAO Wen-hai2，MA Ru-fei2，ZHANG Lei2，LU Min-xu2
（1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.Institute of Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

X70 and X80 steels were selected to evaluate the susceptibility to hydrogen embrittlement in Yingtan simulated solution by slow strain rate test（SSRT）adding negative cathodic protection potential.The results show that hydrogen embrittlement susceptibility of the pipeline steels increased as the potential became more negative. Hydrogen embrittlement risk of X80 pipeline steel is higher than that of X70 at the same potential.

X70 steel；X80 steel；cathodic polarization；slow strain rate test；hydrogen embrittlement

TG172.4

A

1005-748X（2015）09-0810-04

10.11973/fsyfh-201509003

2015-06-15

国家自然科学基金（51271025）

张 雷（1978- ），副教授，博士，从事H2S/CO2腐蚀及耐蚀材料研究，010-62333972，zhanglei＠ustb.edu.cn