氢对高钢级管线钢止裂性能的影响

2019-05-16姜永涛顾清林曹国飞修林冉

石油管材与仪器 2019年2期

姜永涛，顾清林，曹国飞，修林冉，毛建，封辉

(1.中国石油天然气股份有限公司西气东输分公司上海 200135；2.中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安 710077)

0 引言

我国天然气管道向高钢级、大口径和大壁厚方向发展，其对管线钢材料强度和韧性的要求也越来越高。由于输送介质具有较大的可压缩性，且气体减压波速慢，使得天然气管线破裂后往往发生长程裂纹扩展[1]。上世纪，美国一条管径914 mm的X65天然气管线发生开裂并延性扩展，扩展距离达到300 m[2]。天然气管线若发生破裂失效，通常会发生爆炸和燃烧，导致灾难性后果。随着钢级、输送压力、管径及设计系数的不断提高[3]，管道的延性断裂成为了断裂的主要方式，延性裂纹在一定条件下也会发生长程扩展，且已经严重威胁管道安全并成为制约高钢级管线钢管广泛应用的瓶颈问题[4]，高钢级管线钢管的止裂问题也就成了研究的焦点[5-7]。

另一方面，研究人员发现高钢级管线钢存在一定的氢脆风险[8]。在管道实际运行过程中通常采用阴极保护措施抑制管道材料的腐蚀，然而若阴极保护不当或交直流干扰可造成管道材料过保护，导致阴极过量析氢产生氢脆[9-10]；此外我国高压直流输电工程蓬勃发展，然而在输电系统故障或检修时会有高达几千安培的电流通过接地极入地[11]，如此大的电流使得几十公里范围内的埋地天然气管道面临氢脆风险。已有报道表明，西二线广东段X80管线有多处受高压直流干扰，严重影响油气输送管道的安全运营。

目前高钢级管线钢管的断裂控制问题已有较多报道，但对于临氢环境油气输送管道的止裂问题还缺乏深入研究。本文以X80高钢级管线钢为研究对象，研究氢对高钢级管线钢止裂性能的影响，为保证油气管道安全运营提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验选用X80直缝埋弧焊管，其对应尺寸规格及化学成分见表1，其微观组织主要由针状铁素体组成，并且晶粒尺寸较小，针状铁素体宽度为2 mm左右，晶粒度约为11级，该组织类型的管线钢通常具有优良的强韧性匹配，如图1所示。

表1 试验用管线钢规格及化学成分(质量分数) %

图1 试验用X80管线钢微观组织

1.2 试验方法

在距焊缝90°处的管体取横向夏比V型缺口冲击试样样坯，靠近钢管外表面加工成10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样，V型缺口沿壁厚方向垂直钢管表面。试验设备型号为ZBC 2752-B，试验按ASTM A 370-17进行。

冲击试样加工完成后分别进行不同参数充氢试验。试验介质为0.5 mol/L H2SO4，电流密度为50 mA/cm2，充氢试验分别为0 h和24 h。充氢后冲击试样分别在20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、和-60 ℃进行冲击试验，通过冲击试验结果研究氢对X80管线钢焊缝止裂性能影响。采用JEM-ARM200F型电子扫描显微镜对拉伸断口进行观察。

2 试验结果及分析

2.1 高钢级管线钢管止裂性能计算

Battelle双曲线法目前应用最广泛，它的原理是通过对比材料阻力曲线(J曲线)和气体减压波曲线来确定止裂韧性[12-13]。当两条曲线相切时，代表在某一压力下气体减压波速率与裂纹扩展速率相同，即达到止裂的临界条件，与此条件相对应的韧性即为Battelle双曲线法确定的止裂韧性。如果材料阻力曲线和减压波曲线没有交点，则在任何条件下减压波速率都大于裂纹扩展速率，裂纹尖端的压力将一直下降至零，随着驱动力(裂纹尖端压力)的逐渐下降，裂纹将最终停止扩展。

输送介质的相关参数都需要由气体状态方程来确定，目前已发表的状态方程包括AGA-8，BWRS，SRK，PR，GERG等，其中GERG状态方程计算精度较高，常用于天然气减压波计算[12]。西气东输二线气质组分如表2所示，根据相关状态方程可计算该气质组分减压波曲线。

表2 用于计算西气东输二线止裂韧性的气质组分(体积分数) %

以西气东输二线X80直缝埋弧焊管为例，管径1 219 mm，壁厚取18.4 mm，压力12 MPa，屈服强度取550 MPa，弹性模量208 GPa，所得BTC曲线如图2所示，可见止裂韧性CVN 能量计算值为152 J。ISO 3183指出, 当预测结果大于100 J 时, 应对预测结果进行修正。修正系数由全尺寸实物爆破试验结果确定为1.43[6]。通过计算可知该气质组分及管道参数条件下止裂韧性平均最小值为220 J。

图2 西气东输二线BTC曲线计算结果

2.2 氢对高钢级管线钢管止裂性能的影响

图3为不同充氢参数下X80管线钢管体材料系列温度冲击试验结果。从图中可以看出，未充氢管体材料随冲击试验温度降低，冲击功没有明显降低，均维持在300 J左右，充氢后管体冲击功低于未充氢冲击试样，且不同试验温度充氢与否冲击功差值存在一定波动性。图4为不同充氢参数下X80管线钢韧脆转变温度曲线，可以看出未充氢试验冲击断口剪切面积均为100%，充氢后断口剪切面积略有降低，但均高于90%，断口为韧性断裂特征。

图5为不同充氢参数X80管线钢在不同试验温度冲击断口形貌。可以看出断口由纤维区、放射区和剪切唇组成，且纤维区所占比例较大，韧窝明显，均为韧性断裂特征，这与管线钢冲击性能测试结果相一致。

图3 不同充氢参数下X80管线钢系列温度冲击试验结果

图4 不同充氢参数下X80管线钢韧脆转变温度曲线

研究金属材料的氢脆敏感性最常用的方法是慢应变速率拉伸，即在氢氛围中以10-4～10-6s-1应变速率进行拉伸试验，在试样缓慢变形过程中，氢原子在应力作用下聚集到缺陷或裂尖处，进而产生明显的氢脆现象[14-16]。对于高压输气管道的长程延性断裂，其裂纹扩展速度可达200 m/s以上，氢的偏聚过程难以跟上裂纹扩展速率，因此本文未采用评价方法过于保守的慢应变速率拉伸，而是采用应变速率更高的冲击试验。

图5 不同充氢参数下X80管线钢冲击断口形貌

在非饱和充氢条件下，氢对金属材料宏观性能产生影响需要一个缓慢的偏聚过程，即可扩散氢原子在金属晶格间聚集超过一定限度才可体现材料的氢脆敏感性，该过程受氢浓度梯度、位错运动等因素影响，因此应变速率较低的变形通常对氢较为敏感[17-18]。本试验中冲击锤头速度可达5～10 m/s，冲击试样裂纹扩展速率较快，在此实验条件下，X80管线钢充氢后冲击功仍出现一定程度的降低，一方面验证了X80管线钢存在氢脆敏感性，另一方面说明电化学充氢过程改变了部分冲击试样的材料特性，导致冲击韧性下降。此外有文献报道，电流密度为50 mA/cm2的电化学充氢可能会导致金属材料的表面损伤[19-20]，这可能也是导致X80管线钢充氢后冲击功降低的因素。

由图3可知，X80管线钢材料充氢后冲击功略有降低，但均高于250 J，高于X80管线钢止裂条件220 J，说明试验用管线钢材料在文中充氢条件下可以实现自身止裂。对于西气东输二线来说，图6为西二线用钢管的冲击韧性统计数据，冲击功数据呈正态分布特征，可以看出100%数据样本高于单个最小值170 J，97.5%数据样本高于平均最小值220 J，即可以防止管道发生裂纹长程扩展。