X80钢及焊接接头在模拟高pH值土壤环境的应力腐蚀

吕玉荣

摘要：采用慢应变速率拉伸（SSRT）试验观察研究了X80管线钢及焊接接头在0.5 mol/L Na2CO3+1 mol/L NaHCO3溶液中的应力腐蚀破裂（SCC）敏感性。试验结果表明，随着外加电位的负移，断裂时间、断面收缩率、应变量都明显变小;X80管线钢及焊接接头的应力腐蚀开裂敏感性增加，施加相同外加电位时，焊接接头较母材的应力腐蚀敏感性增加。

关键词：X80管线钢;SSRT;CO32--HCO3-溶液;应力腐蚀

中图分类号：F407.4 文献标识码：A

管线钢应力腐蚀的研究有悠久的历史，经过多年的研究得知：管线钢在土壤中发生应力腐蚀有两种形态，即沿晶型应力腐蚀（IGSCC）和穿晶型应力腐蚀（TGSCC）[1-2]。世界上首例管道SCC事故于1965年发生在美国路易斯安那州，其破坏形态为沿晶型应力腐蚀开裂（IGSCC）[3]。环境为高pH值浓度的CO32-和HCO3-。

管线在服役过程中引发应力腐蚀必须同时具备三个条件，即应力、特定的腐蚀环境和敏感的管道材料[4]。埋地管线外壁在保护涂层和阴极保护失效的情况下，与土壤和地下水的接触经常产生应力腐蚀开裂。土壤和地下水存有硝酸根离子（NO3-）、氢氧根离子（OH-）、碳酸根离子（CO32-）等，它们都是引起管线应力腐蚀开裂失效的介质[5-6]。

X80钢是目前国际铺设的最高强度级别的管线钢，管道输送过程中，土壤介质引起的应力腐蚀开裂（SCC）危害较大，为便于研究，本文采用0.5 mol/L Na2CO3+1 mol/L NaHCO3溶液来模拟高pH值土壤环境，就X80钢及焊接接头的应力腐蚀进行试验研究。

1 试验选材

本试验所用材料是X80钢，密度为7.9 g/cm3。其母材成分如表1，其力学性能如表2。

所用材料分別取材于母材和焊缝处，经过机械加工做成试样。所得试样的形状和尺寸如图1所示。

2 试验设备

本实验所用设备选用北京中腐防蚀工程技术有限公司生产的SCC-1型应力腐蚀测量系统对试样进行慢应变速率拉伸（SSRT）试验。SSRT方法提供了通过恒载荷、恒应变等试验方法不能迅速激发应力腐蚀的条件下，确定延性材料应力腐蚀敏感性的加速试验方法。试验过程中仪器自动记录应力-拉伸量曲线。

3 试验介质

本实验用0.5 mol/L Na2CO3+1 mol/L NaHCO3溶液配制高pH值的腐蚀介质溶液，所用溶剂为去离子水。

4 试验步骤

①将加工好的试样用丙酮去油处理，然后用600、800、1000砂纸打磨至表面光亮，没有划痕。

②将打磨好的试样粘上应变片后，浸在腐蚀介质中，装在SSRT系统上，密封（如图3）。然后试样接负极，铂电极接正极。用M273恒电位仪提供外加电位，分别为-1000 mV、-800 mV、-730 mv、-600 mV。

③打开电源开关，按下电源按钮，然后按下启动按钮。先将SSRT系统上的红线和蓝线对接，待电压显示为0时，将红线接参比电极，蓝线接试样上的应变片，开始试验。

④试验过程由计算机自动控制，并记录载荷-应变曲线和电位-时间曲线。

⑤试样拉断后，在5分钟之内，取下试样放入超声波清洗器中清洗5分钟，然后用吹风机吹干。测试相关数据，计算应力腐蚀敏感指数。

⑥重复以上步骤，分别测试母材和焊缝在-1000 mV、-800 mV、-600 mV、自腐蚀电位下和空拉时的应力腐蚀敏感性。

5 试验结果

在试验设备上分别测试母材和焊缝在-1000 mV、-800 mV、-730 mV、-600 mV自腐蚀电位下和空拉时的应力腐蚀敏感性。通过对母材在不同外加电位下拉伸时的曲线和断裂寿命、断面收缩率、抗拉强度、应变量与空拉时的值比较，观察其变化规律。

图2为母材在空拉和不同外加电位下的应力-拉伸量曲线。从图2中可以看出，曲线的变化具有一定的规则性。空拉时由于试验设备原因导致空拉曲线在下滑阶段有所失准，故不在试验考虑之内。但当有外加电位时，拉伸量发生了变化，并且随着电位的负向增大，拉伸量明显下降，说明外加电位对埋地管线钢的失效影响很大。

表3为母材在空拉和不同外加电位下的应力腐蚀破裂参数。从表3中可以看出：空拉时无论是抗拉强度还是断裂寿命都是最大的;当有外加电位时，随着电位的负向增大，断裂寿命逐渐减小，说明阴极保护对应力腐蚀有促进作用;断面收缩率随着电位的增大明显增大，说明试样断裂时的变形越来越大，其脆性断裂越不显著，其中以空拉时的断面收缩率最大。外加电位对抗拉强度无明显影响，说明抗拉强度是材料本身的性质，外界影响不大，只是空拉时会比加电位时稍微大一些。应变量的变化最明显，在空拉时属于典型的塑性断裂，当存在外加电位时，随着负电位数值的增大，脆性断裂越明显。

图3为焊缝在空拉和不同外加电位下的应力-拉伸量曲线。从图3中可以看出，空拉时拉伸量最大，随着电位的负向增加，拉伸量在变小，说明断裂寿命随着电位的负向增大而明显减小。因此焊缝的应力腐蚀敏感性随着电位的负向增加而增强。

表4为焊缝在空拉和不同外加电位下的应力腐蚀参数。从表4中可以看出，随着电位数值的负向增加，断裂寿命减小;抗拉强度变化不大，基本处于540 MPa左右波动，但仍以空拉时最大;应变量则明显地减小，证明外加阴极电位促进了焊缝的应力腐蚀破裂。将表4 与表3比较可以看出，在相同的外加电位下，焊缝比母材的断裂寿命明显减少。

6 结果分析

6.1 电位分析

表3、表4表明，随着电位的负向增大，抗拉强度逐渐增大，断裂寿命逐渐减小，并且其减小量受电位影响很大，呈现急剧下降趋势。外加电位有利于阴极保护，促进了应力腐蚀破裂的产生，并且外加电位数值越大，应力腐蚀敏感性越强。

6.2 应力腐蚀机理分析

各种金属材料在不同的介质中，随着阳极极化程度的不同及钝化膜形成的趋势，将决定能否产生局部的集中的阳极反应[7]。

在X80钢的应力腐蚀试验中，在应力作用下，裂纹尖端产生塑变区，滑移结果使晶格缺陷增加，C、N等原子容易向缺陷处扩算形成偏析，这就形成了一条易于腐蚀的大致连续的路线，即活性通道（由于局部应力集中及由此产生的应变引起的阳极晶界区）。在高pH值溶液中进行SSRT过程中可能进行如下反应：

说明X80钢的应力腐蚀主要是阳极溶解和在外加电位保护下的析氢腐蚀。

7 结论

①母材和焊缝的腐蚀敏感性都会受到外加电位的影响，并且电位的负向值越大时，受到的影响越明显。随着外加电位的负移，母材和焊缝的断裂时间、断面收缩率、应变量都明显变小，X80管线钢及焊接接头的应力腐蚀开裂敏感性增加，施加相同外加电位时，焊接接头较母材的应力腐蚀敏感性增加。

②在相同的外加电位下，焊缝比母材更易受到应力腐蚀的影响，断裂寿命明显减少，即焊缝更易受到腐蚀，焊缝的焊缝区的应力腐蚀敏感性大于母材。

③X80钢的应力腐蚀主要是阳极溶解和在外加电位保护下的析氢腐蚀。

参考文献

[1] 方帅.剥离涂层下管线钢应力腐蚀开裂机理研究[D].西安：西安石油大学，2019.

[2] 赵新伟，张良，张广利，等.高载小幅波动对X80管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂的影响研究[J].压力容器，2019，36（10）：1-5，70.

[3]左景伊.应力腐蚀破裂[M].西安：西安交通大学出版社，1985.

[4]鲍明昱.CO2环境中应力诱导对110级套管钢电化学行为的影响研究[D].成都：西南石油大學，2017.

[5] 许进，白云龙，徐大可，等.土壤环境中管线钢硫酸盐还原菌腐蚀[J].表面技术，2019，48（7）：263-270.

[6] 王炳英，霍立兴，张玉凤，等.CO32-HCO3-溶液中X80管线钢焊接接头的应力腐蚀开裂分析[J].焊接学报，2007，28（7）：85-88.

[7] 王竹. 奥氏体不锈钢在H2S环境下的腐蚀行为与钝化膜演化研究[D].北京：北京科技大学，2018.