X70管线钢管环焊接头氢脆敏感性研究*

2023-05-26李天雷庄林家杨志文陈迎锋

焊管 2023年5期

李天雷，冯敏，梁爽，庄林家，杨志文，陈迎锋

（1.中国石油工程建设有限公司西南分公司，成都 610041；2.安科工程技术研究院（北京）有限公司，北京 102209；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司，成都 610051；4.浙江新能源集团平湖城市燃气公司，浙江嘉兴 314200）

0 前言

我国人口的快速增长导致了能源的总需求量的持续增长。传统的化石能源是我国当前最主要的能源，但是在“碳达峰、碳中和”的背景下，急需寻求新的能源，加快绿色能源转型。氢能产业的发展已成为当前较热门的话题。氢气是一种清洁能源，氢能作为潜力巨大的清洁能源载体，将成为达成“双碳目标”的重要选择。目前我国氢能产业正步入发展快车道，城镇地区用氢需求将不断提升，如何实现氢能的规模化经济、安全输运是制约氢能发展的关键问题。在众多氢能输运方式中，管道输氢在大规模、长距离输氢中具有不可比拟的优势。尽管管道输送氢气是最具经济性和安全性的方式，然而钢质管道内部输送介质中的氢分子可以吸附于管道内壁，分解成氢原子后可进入钢质管材内部，导致管材韧性损失或形成裂纹，引起管材氢损伤问题[1]。因此，管线钢的安全性在长距离钢质管线运输中受到了更多的关注[2-3]。大量研究发现，管线钢的强度不同，其氢脆敏感程度也会不同，管线钢的等级越高，越容易受到氢气的影响，其氢脆敏感性越高[4-7]，进而造成氢致损伤，给管道服役带来巨大的安全隐患并造成财产损失[8-12]。氢气对管线钢的影响，最值得关注的是对焊缝区管材性能的影响。在焊接过程中热循环会对组织产生影响，焊接接头位置的母材、焊缝和热影响区在氢气环境下存在很大差异。Chatzidouros等[13]认为X70管线钢热影响区的抗氢脆性能的下降与带状铁素体-珠光体的形成有关。因为热影响区中含有对氢气敏感的微观组织（如M/A组元、上贝氏体和粗大的魏氏组织等），氢气会促进裂纹在这些位置的萌生；其次热影响区与母材的强度不匹配，且内部的残余应力为拉应力，因此热影响区成为管线钢服役的薄弱环节[14-17]。所以，焊接接头位置粗大的组织结构、氢含量及高压下氢扩散速率等成为管线安全的重点关注的领域。其相关的氢脆敏感性研究也得到重视。

本研究选取X70高钢级管线钢管，根据实际管线总压12 MPa的设计要求，开展12 MPa总压、0.36 MPa氢分压环境下的缺口拉伸试验、断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展速率试验，研究X70钢在试验设置的含氢环境下的力学性能，综合评价X70钢在试验环境下的氢脆敏感性，以作为天然气输送管道的适用性的评价。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料及取样位置

试验材料取自X70管线钢环焊焊管。焊缝位置采用熔化极气体保护焊的焊接方法（根焊采用RMD 自动焊，填充盖面采用气保护药芯焊丝自动焊）。在焊缝位置取样，如图1（a）所示，用碳化硅砂纸将焊缝金属区域逐级打磨至1200目，然后抛光至1 μm，用侵蚀液（5%vol 硝酸酒精）侵蚀 5～10 s，之后用光学显微镜观察其组织结构。X70 钢焊接区域侵蚀后的宏观照片如图1（b）所示。从图1（b）中可以看出，侵蚀后由于局部成分组织的差异，在宏观上表现出明显的分区。

图1 X70管线钢管焊接区域取样方向和试样侵蚀后宏观照片

1.2 试验测试内容及方法

缺口拉伸试验参照ASTM G142-98《Standard Test Method for Determination of Susceptibility of Metals to Embrittlement in Hydrogen Containing Environments at High Pressure, High Temperature,or Both》，图2为拉伸测试的试样尺寸，试样沿管道轴向取样。将缺口拉伸试样安装在高压釜（C276）中，在12 MPa 总压、0.36 MPa 氢分压（介质为3% H2的天然气）环境下以5×10-5mm/s的速率进行缺口拉伸测试直至试样断裂，所用仪器为Bairoe（YYF-50）慢应变速率应力腐蚀拉伸试验机。进行氢气环境下的拉伸测试时，必须要通入高纯氮以对反应釜内部进行除氧，除氧结束后通入规定压力的氢气，保压30 min，试验进行预充氢24 h后再进行缺口拉伸测试。

图2 X70管线钢管拉伸试样示意图

断裂韧性测试参照GB/T 21143—2014《金属材料准静态断裂韧性的统一试验方法》，试样采用紧凑拉伸试样（CT），尺寸如图3所示。进行断裂韧性试验试样应提前预制裂纹，裂纹应尽量保持平行。预制裂纹后将试样用酒精或丙酮超声清洗除油10 min、冷风吹干，处理完之后应尽快放入高压釜中进行试验，避免试样表面形成氧化膜影响试验结果。处理好后的试样装入到高压釜（TF6-20/180）中，通入高纯氮对反应釜内部进行除氧，除氧结束后通入规定压力的氢气，保压30 min，试验进行预充氢24 h后方可进行试验。测试速率为0.012 mm/min，控制模式为位移控制。

图3 X70管线钢管断裂韧性试样尺寸示意图

疲劳裂纹扩展速率试验参照ASTM E647—2015 《Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates》中相关规定，试样沿纵向-长度（T-L）方向进行取样。试验前预制一条1.2 mm的裂纹，设置测试频率为1 Hz，应力比R为0.1。将疲劳试样装入到高压釜（TF6-20/180）中通入高纯氮对反应釜内部进行除氧，除氧结束后通入规定压力的氢气，保压30 min，充氢24 h后方可进行试验。试样尺寸如图4所示。

图4 X70管线钢管疲劳裂纹扩展速率试样尺寸示意图

2 结果与讨论

2.1 显微组织

X70 钢管焊接接头的金相组织如图5 所示，由图5 可以看出，X70 管线钢母材和热影响区主要由铁素体和珠光体组织构成，焊缝位置主要由贝氏体组织构成，晶粒尺寸较大。

图5 X70管线钢管焊接接头金相组织

2.2 力学性能

2.2.1 拉伸性能

分别测试了X70钢管母材、焊缝及热影响区在12 MPa 总压、0.36 MPa 氢分压环境和常压空气环境下的缺口试样拉伸试验，氢气对不同位置拉伸性能的影响如图6 所示。从图6 可以看出，氢气对母材、焊缝及热影响区的缺口拉伸强度变化较小，韧性基本无变化。

图6 X70管线钢管焊接接头在常压空气和0.36 MPa氢分压环境下的缺口拉伸曲线

X70 钢焊缝区域不同位置在常压空气和0.36 MPa 氢分压环境下的塑性和韧性见表1。由表1 数据可以看出，不同环境下X70 钢母材、环焊缝和热影响区位置的抗拉强度和断后伸长率变化较小，表明在0.36 MPa氢分压对X70钢的缺口拉伸强度和断后伸长率影响较小，但X70 钢焊接接头在氢气环境下的断面收缩率变化较大，X70钢环焊缝和热影响区在氢气环境下的断面收缩率较空气相比分别下降了16%和32%，表明热影响区位置的在0.36 MPa氢气环境下的氢脆敏感性可能较高。为进一步研究X70钢焊接接头不同位置在0.36 MPa氢分压条件下的塑性变化，根据相关行业标准及文献研究[20-22]，通常用暴露到含氢环境中和非含氢（常温常压空气）环境中相同试样的断面收缩率的比值P来评定氢脆敏感性。

表1 X70管线钢管焊接接头在常压空气和0.36 MPa氢分压环境下的塑性和韧性

比值P越偏离1，则材料的氢脆敏感性越高。根据表1中的结果计算0.36 MPa氢分压环境与常温常压空气中断面收缩率比值P，如图7 所示。由图7可以看出，母材、环焊缝及热影响区的氢气与空气结果比值分别为1.03、0.84、0.68，热影响区位置的比值偏离1较大，氢脆敏感性可能较高。

图7 X70管线钢管焊接接头在0.36 MPa氢分压与常压空气的断面收缩率结果比值

图8 为X70 管线钢管焊接接头不同位在空气和0.36 MPa 氢分压环境下的微观断口形貌。由图8 可以看出，X70 钢母材和环焊缝位置在空气和氢气环境下的断口形貌主要是韧窝形貌，热影响区在空气环境下的拉伸试样边缘部位瞬断区为韧窝形貌，说明为韧性断裂，而在氢气环境下的缺口边缘处出现了轻微脆性断裂，这是因为氢气从外界扩散到材料内部时，边界处能直接接触氢气，所以，在断口扫描位置处观察到有细小裂纹产生。拉伸试验采用的试样为缺口试样，缺口位置存在应力集中，所以在拉伸过程中会优先萌生裂纹。因此，裂纹的扩展会受到应力集中和氢原子的双重影响，出现了轻微脆性断裂。

图8 X70管线钢管焊接接头缺口拉伸试样断裂表面SEM图

缺口拉伸试验结果表明，氢气的存在能明显的降低X70钢的断面收缩率，但是X70钢仍具有较好的抗氢脆性能。与母材和环焊缝相比，热影响区位置的断面收缩率下降较为明显。所以，选取X70 钢热影响区进行12 MPa 总压、0.36 MPa氢分压条件下的断裂韧性测试和疲劳裂纹扩展速率测试，进一步研究X70钢在0.36 MPa氢分压条件下的氢脆敏感性。

2.2.2 断裂韧性

图9 为X70 管线钢管热影响区位置试样在空气和0.36 MPa 氢分压条件下的载荷-裂纹张开位移曲线。由图9 可知，0.36 MPa 氢分压环境下紧凑拉伸试样的载荷比空气条件下的载荷先达到了最大值，这说明氢气降低了热影响区抵抗裂纹扩展的能力。

图9 X70管线钢管焊接接头热影响区试样在空气和0.36 MPa氢分压条件下的F-V曲线

根据F-V曲线上所对应的载荷F和缺口张开位移塑性分量VP（F-V曲线与横轴交点）计算相应的裂纹尖端张开位移（CTOD）δ值

式中，F——最大载荷，N；

B——CT试样厚度，取17 mm；

BN——侧槽净厚度，取17 mm；

υ——泊松比，取0.3；

RP0.2——屈服强度，为620 MPa；

E——杨氏模量，取2.06×105MPa；

R——转动半径，mm；

Z——刀口厚度，取0 mm；

W——试样宽度；为34 mm；

a——试样初始裂纹长度，为17 mm。

计算结果见表2。根据结果显示，0.36 MPa氢分压环境下热影响区的CTOD 值与空气中的结果对比下降了9.6%，但仍然满足API 1104《Welding of Pipeline sand Related Facilities》工程规定的管线钢CTOD 值大于0.254 mm 的标准要求。

表2 X70管线钢管焊接接头热影响区试样在空气和0.36 MPa氢分压条件下的断裂韧性

图10 为X70 钢热影响区在空气和0.36 MPa氢气环境下的断裂韧性试样微观形貌。从图10中可以看出，空气和氢气环境下的试样断裂表面主要以韧窝为主，氢气的存在对试样断裂的形貌影响较小，而且，断裂表面没有观察到裂纹等缺陷。这说明虽然氢气会降低热影响区的断裂韧性，但是氢气对热影响区的断裂形貌影响较小。

图10 X70管线钢管焊接接头热影响区CT试样在不同环境下的微观断裂形貌

2.2.3 疲劳裂纹扩展速率

通常认为，管线钢焊接的热影响区是质量最薄弱的区域，裂纹和断裂失效更容易在此发生。图11 展示了X70 钢热影响区CT 试样在氢气环境下疲劳裂纹扩展速率变化规律。由结果可知，热影响区位置的疲劳裂纹扩展速率在空气和氢气环境下都随着应力强度因子（ΔK）的增加而增加，氢气进入材料之后，使得裂纹扩展速率有了极大的上升，这说明在氢气和循环载荷的共同作用下，热影响区位置内部的裂纹更容易萌生，并且氢与载荷的交互作用，极大地提升了裂纹的扩展能力。同时，在相同应力强度因子的条件下，0.36 MPa氢气的疲劳裂纹扩展速率较空气中的结果高，说明氢气能够加快材料的疲劳裂纹扩展速率。

图11 X70管线钢管焊接接头影响区在空气和0.36 MPa氢气分压下的裂纹扩展速率曲线

式中：a——裂纹深度或宽度（mm）；

N——应力循环次数；

C，m——和材料有关的参数；

ΔK——应力强度因子变化范围。

图11为X70钢热影响区试样在空气和0.36 MPa氢气环境下的疲劳裂纹门槛值，采用Paris法则计算裂纹扩展常数C和m，通过拟合方程进行确定，数值见3。由表3可知，在0.36 MPa氢分压下X70钢热影响区的疲劳裂纹门槛值低于空气中的疲劳裂纹门槛值，氢气存在下材料的疲劳裂纹扩展速率较空气相比高一个数量级。在氢气环境下疲劳门槛值的降低可能会导致材料容易启裂。

表3 X70管线钢管焊接接头热影响区试样在空气与0.36 MPa氢气下的相关参数

X70 钢热影响区试样在不同环境下的断裂微观形貌显示，0.36 MPa 氢气环境下热影响区表面主要为准解理断裂，带状条纹与裂纹扩展方向平行，表现为明显的氢脆特征。这是因为材料内部的缺陷会捕获氢原子，形成氢陷阱，因此进入材料内部的氢原子也会更多，相应的氢脆的程度也会更加严重。

实际服役管道在环境中工作时，管线钢的载荷波动变化不大，但是在进行疲劳裂纹扩展速率试验时，试验环境是非常苛刻的，如果根据材料本身以及实际管道运行压力波动变化，0.36 MPa氢分压对X70钢热影响区位置的疲劳性能影响较小。因为只有当临界应力强度因子超过阈值时，氢气对材料疲劳性能的影响才会体现。X70钢断裂力学性能测试的结果都证明了氢气对材料力学性能的影响存在临界值，但是对于临界值的定义，目前很难找到具体的解释。