X80管线钢在NS4溶液中的应力腐蚀行为

(中国石油天然气股份有限公司 西部管道分公司，乌鲁木齐 830012)

应力腐蚀开裂(SCC)是埋地管线发生突发性安全事故的主要原因之一。埋地管线的应力腐蚀开裂主要有两种形式:一种是在碱性土壤中的SCC;另一种则是在近中性土壤中的SCC[1-2]。一般认为管线钢在高浓度碳酸盐和碳酸氢盐中发生的SCC为高pH情况下(pH为8.0～10.5)的SCC，裂纹沿晶扩展，而在稀碳酸氢盐溶液中发生的SCC为近中性pH情况下(pH约为5.5～8.0)的SCC。管线钢在近中性土壤环境中发生SCC时，裂纹以穿晶方式扩展且裂纹内发生明显腐蚀，因而相比高pH环境中的SCC，其裂纹更宽[3-5]。

我国在西气东输二线工程中首次实现了X80管线钢的规模化应用，随着X80管线钢的使用越来越广泛，保障其安全运行是一项重要的研究课题[6-7]。管线钢制管需要焊接，焊接是局部熔化过程，在此过程中，焊缝与热影响区金属组织和性能会发生改变，这使得焊接接头成为薄弱环节，大量的管线失效也主要集中在焊接接头[10-11]。此外，对西气东输二线主干线管线所经过的土壤、环境pH进行统计后发现，很多管段的土壤环境都属于近中性pH土壤。因此，焊接接头在近中性pH土壤中的SCC更加受到关注。由于X80管线钢的工业化应用尚处于起步阶段，特别是针对X80管线钢在近中性pH土壤环境中的SCC研究工作开展得较少。因此，本工作采慢应变速率试验(SSRT)和电化学方法研究了X80管线钢母材与焊接接头在NS4溶液中的应力腐蚀开裂行为[10]，探讨了X80管线钢母材与焊接接头在近中性土壤环境中发生SCC的可能性及敏感性,以期为X80管线在近中性土壤环境中应力腐蚀开裂的预防提供理论依据。

1 试验

试验材料取自国内某钢管厂生产的X80螺旋埋弧焊管，母材的化学组成如表1所示,其尺寸为φ1 219 mm×22 mm。焊接接头取自螺旋埋弧焊焊接接头。

表1 X80管线钢的化学成分Tab. 1 Chemical composition of X80 pipeline steel %

由于NS4溶液是实验室常用的近模拟中性土壤溶液，故本工作中试验溶液为NS4溶液，pH约为7，该溶液采用蒸馏水和分析纯化学试剂配制，并通入5% CO2+95% N2。

电化学试验采用美国EG&G公司的M2273电化学测试系统，将X80螺旋埋弧焊管的母材和焊缝加工成有效暴露面积为1 cm2的电化学试样，试样背面焊接Cu导线，非工作表面用环氧树脂密封使其和腐蚀介质隔绝。试验前将工作电极用砂纸(100～1 000 号)逐级打磨并抛光，然后用去离子水、酒精和丙酮清洗试样表面的油污。动电位极化测试采用标准的三电极体系，工作电极为X80螺旋埋弧焊管母材和焊缝试样，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为Pt 电极，工作电极浸泡在试验溶液中20 min后开始电化学测试，扫描速率为1 mV/s。

慢应变速率试验(SSRT)在MYB-Ⅱ型慢应变速率试验机上进行，SSRT所用的试样形状尺寸如图1所示。X80螺旋埋弧焊管母材的SSRT试样沿钢管的环向截取，焊接接头的SSRT试样需将焊缝置于试样标距的中间。拉伸前，所有SSRT试样经砂纸(200～1 000号)逐级打磨，随后用无水乙醇清洗，丙酮脱脂。SSRT在常温常压下进行，应变速率为10-6/s。

图1 SSRT试样形状与尺寸Fig. 1 Dimension and shape of specimen for SSRT

为了表征X80管线钢母材及焊接接头在NS4溶液中SCC敏感性，定义应力腐蚀指数Iscc(韧性损失)作为SCC敏感性的判据，Iscc越大则SCC敏感性越高。应力腐蚀指数如式(1)所示：

(1)

式中:I空是在空气中测定的材料性能参数；I腐是在NS4溶液中测定的材料性能参数。根据GB/T 15970.7-2000《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分慢应变速率试验》，采用抗拉强度(Rm)、断后伸长率(δ)、断面收缩率(Ψ)与断裂功(W) 4个参数来判定母材与焊缝拉伸试样在NS4溶液中的SCC敏感性。

2 结果与讨论

2.1 极化曲线

由图2可见：母材试样和焊缝试样的极化曲线都具有典型的阳极溶解特征，未出现钝化现象，即随极化电位的升高，阳极电流密度增加，这表明试样表面在阳极溶解过程中没有形成钝化膜。在极化曲线上，腐蚀电流密度为零对应的极化电位为自腐蚀电位(Ecorr)，它是材料阳极反应总电流密度等于阴极反应总电流密度时的电位值，X80螺旋埋弧焊管母材试样的Ecorr为-0.741 V，焊缝试样的Ecorr为-0.847 V，即母材试样的自腐蚀电位高于焊缝试样的。

极化曲线结果表明，母材试样的自腐蚀电流密度为2.95 μA/cm2，焊缝试样的自腐蚀电流密度为3.52 μA/cm2。由法拉第第二定律可知，金属的腐蚀电流密度与腐蚀速率呈正比关系，即腐蚀电流密度越大，腐蚀速率越大，在腐蚀介质中的耐蚀性越差。由此可知，在NS4溶液中，X80螺旋埋弧焊管母材试样的耐蚀性优于焊缝试样的。这是因为焊缝的形成是一个冶金过程，经历过若干个焊接热循环后焊缝、熔合区、热影响区和母材之间的成分、组织和性能都存在差异，并且焊接接头处的金属组织往往是非平衡态的，热力学稳定性劣于母材试样的。此外，由于焊接热输入的瞬时性和局部性，焊接过程中的温度场分布不均匀，导致焊接接头处的应力水平往往高于母材处的，较高水平的拉应力会促进金属的腐蚀。

图2 母材试样和焊缝试样在在NS4溶液中的极化曲线Fig. 2 Polarization curves of base metal sample and welded joint sample in NS4 solution

2.2 SSRT曲线

由图3和表2可见：母材试样在空气中的抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和断裂功分别为668 MPa、23%、68.3%和125.9×10-3J/mm;在NS4溶液中的抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和断裂功分别为648 MPa、22.05%、65.65%和119×10-3J/mm；焊接接头试样在空气中的抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和断裂功分别为754 MPa、17.25%、51.9%和108.55×10-3J/mm;在NS4溶液中的抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和断裂W分别为714 MPa、14.5%、46.5%和90.5×10-3J/mm。

(a) 母材试样

(b) 焊接接头试样图3 母材试样和焊接接头试样在空气和NS4溶液中的SSRT曲线Fig. 3 SSRT curves of base metal samples (a) and welded joint samples (b) in air and NS4 solution

参数母材试样焊接接头试样Rm/MPaA/%Z/%W/(J·mm-1)Rm/MPaA/%Z/%W/(J·mm-1)环境空气6682368.3125.9×10-375417.2551.9108.55×10-3NS4溶液64822.0565.65119×10-371414.5046.590.5×10-3Iscc/%2.994.133.885.485.315.9410.417.09

按式(1)计算出X80母材在NS4溶液中的应力腐蚀敏感指数Iscc可知，母材试样在NS4溶液中对应力腐蚀开裂不敏感。以抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和断裂功为参考指标测得的应力腐蚀敏感指数均小于6%，即各指标无明显损失。相比之下，焊接接头试样在NS4溶液中具有一定的应力腐蚀开裂敏感性，以断后伸长率、断面收缩率和断裂功为参考指标测得的应力腐蚀敏感指数均超过10%，但并未超过20%，因而焊接接头试样的SCC敏感性并不十分显著。

2.3 组织形貌

由图4可见：母材试样在空气和NS4溶液中经SSRT后，塑性变形明显，断口上可以观察到大量的韧窝，具有明显的韧性断裂特征。在NS4溶液中，母材试样断口上的裂纹源区表面覆盖着腐蚀产物，能谱分析表明，腐蚀产物主要由Fe、O和C组成，并含有少量Na、S、K，见图5。少量的Na、S、K元素是NS4溶液(含有KCl、NaHCO3、Mg2SO4·7H2O)中含有的元素，Fe、O和C三种元素组成的碳酸亚铁(FeCO3)是X80管线钢在NS4溶液中的腐蚀产物[11]。由图6可见：焊接接头试样在空气中的断裂形式为韧性断裂，断口上也可观察到大量的韧窝；在NS4溶液中，焊接接头试样的SSRT断口局部区域可观察到解理断裂特征，这表明焊接接头试样在NS4溶液中的SCC敏感性增强，其SCC敏感性明显高于母材试样的。

(a) 空气 (b) NS4溶液图4 母材试样在空气和NS4溶液中的SSRT断口形貌Fig. 4 SSRT fracture morphology of base metal samples in air (a) and NS4 solution (b)

图5 母材试样在NS4溶液中经SSRT后断口表面蚀产物能谱分析结果Fig. 5 EDS results of corrosion products on the fracture surface of the base metal after SSRT in NS4 solution

(a) 空气 (b) NS4溶液图6 焊接接头试样在空气和NS4溶液中的SSRT断口形貌Fig. 6SSRT fracture morphology of welded joint samples in air (a) and NS4 solution (b)

如前所述，焊接导致焊缝与热影响区金属组织和性能变化使得焊接接头成为管线钢最薄弱的环节。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成，图7所示为本工作用X80螺旋埋弧焊管焊接接头的宏观形貌。焊缝与母材的交界线称为“熔合线”，熔合线两侧有一个很窄的焊缝区与热影响区的过渡区称为“熔合区”。熔合区化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织，见图8(a)，使得该区域材料强度下降，塑性韧性极差，易产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头三个区域中最差的。相比之下，本次试验所用的X80螺旋埋弧焊管管体微观组织主要为粒状贝氏体B粒，晶粒细小，见图8(b)。因此，焊接接头熔合区是钢管的薄弱环节，易发生应力腐蚀开裂。

3 结论

(1) 在NS4溶液中，X80螺旋埋弧焊钢管母材的自腐蚀电位高于焊缝的，母材的腐蚀电流密度低于焊缝的，即母材的耐蚀性优于焊缝的。

图7 焊接接头试样的宏观形貌Fig. 7 Macro-morphology of welded joint sample

(a) 熔合区 (b) 母材图8 试样的组织形貌Fig. 8 Structure morphology of samples：(a) fusion zone； (b) base metal

(2) X80螺旋埋弧焊钢管母材在NS4溶液中对应力腐蚀开裂不敏感。以抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和断裂功为参考指标测得的应力腐蚀指数均小于6%，即各指标无明显损失。

(3) X80螺旋埋弧焊钢管焊接接头在NS4溶液中具有一定的应力腐蚀开裂敏感性，以断后伸长率、断面收缩率和断裂功为参考指标测得的应力腐蚀指数均超过10%，但未超过20%，即焊接接头在NS4溶液中的应力腐蚀敏感性并不显著。

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