X80钢在新疆不同土壤环境中的氢脆行为

杨永和,胡江锋,丁 融,吴建成,徐春燕,李振军,方卫林,孙冰冰,王修云

(1. 中国石油西部管道公司，乌鲁木齐 660008; 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京 100083)

X80钢在新疆不同土壤环境中的氢脆行为

杨永和1,胡江锋1,丁 融1,吴建成1,徐春燕1,李振军1,方卫林1,孙冰冰1,王修云2

(1. 中国石油西部管道公司，乌鲁木齐 660008; 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京 100083)

在外加阴极保护电位下，采用慢应变速率试验、动电位极化方法以及扫描电镜(SEM)观察等方法对比分析了西部管道用大口径X80钢在新疆三种典型土壤模拟溶液中的氢脆行为。结果表明：在外加-1.1 V(CSE)电位条件下，在新疆农田、戈壁和沙漠三种典型土壤的模拟溶液中，X80钢均发生强度和塑性损失，表现出氢脆敏感性；在不同的环境中，随着土壤电导率的增加和pH的降低，X80钢的氢脆敏感性增加。

阴极极化;X80管线钢;氢脆;土壤模拟溶液

随着我国油气能源需求的快速增长，能源管道在我国大规模建设并投入使用。为降低成本，增加经济效益，西部管道所属的西气东输一、二、三线西段均采用高钢级、大口径、高压力的管道。管道采用防腐蚀层外加阴极保护的联合措施进行腐蚀控制，但高钢级材料由于强度的提高其氢脆敏感性增加[1]，一旦防腐蚀层发生破损或存在漏点，过负阴极保护电位下管线容易发生氢脆失效。以往关于阴极保护导致高强钢氢脆的研究多集中在海水环境中，大量的学者通过配制人工海水研究了不同类型高强钢氢脆敏感性随保护电位的变化规律,并给出了最佳阴极保护范围[2-7]。近年来，随着埋地管线钢钢级的提高，其在土壤环境中的氢脆问题逐渐突出，国内外学者已陆续展开了相关研究[8-13]，其中,国内常用的介质环境以酸性鹰潭土壤模拟溶液和碱性库尔勒模拟溶液为主。西气东输三线西段共经过新疆、甘肃及宁夏三个省、自治区，所经地区地貌类型较复杂，平原、戈壁和荒漠等不同区域土壤理化性质存在差异，对比分析不同土壤环境对氢脆敏感性的影响规律,这可以为不同土壤环境中的阴极保护设计提供理论依据，具有重要的实际意义。

本工作选择新疆农田、戈壁和沙漠三种典型的土壤，在外加阴极保护电位下，采用慢应变速率试验(SSRT)、动电位极化方法以及扫描电镜(SEM)对比分析了西部管道用大口径X80钢的氢脆行为。

1 试验

1.1 试样

试验用X80钢取自西部管道用大口径集输管线，其化学成分为：wC0.070%，wSi0.21%，wMn1.61%，wS0.002 5%，wP0.081%，wMo0.13%，wTi0.012%，wNb0.041%，wNi0.012%，wCu0.14%，余量铁。金相组织见图1，组织分布均匀细小，以珠光体和铁素体为主。

图1 X80钢的金相组织Fig. 1 Microstructure of X80 steel

慢应变速率试验采用棒状试样，取样方法参照ISO 3183-2007规定，垂直于钢板的轧制方向。试验前试样表面用水砂纸逐级打磨至800号，打磨方向与拉伸方向一致，用蒸馏水和酒精清洗，干燥后备用。电化学测试采用裸露面积为1 cm×1 cm的方形试样，除工作面外其余面采用环氧树脂(120 g环氧树脂+30 g邻苯二甲酸二丁酯+10 g乙二胺)封装，背面引出导线。测试前工作面用水砂纸逐级打磨至800号，用蒸馏水和酒精清洗，干燥备用。

1.2 试验方法

采用分析纯的化学试剂按照表1配制土壤模拟溶液。由表1可见，三种土壤中的离子含量和电导率差别较大，其中沙漠土壤远的电导率高于戈壁和农田土壤的；三种土壤的pH略有差别，沙漠土的pH为6.24,相对偏酸性，戈壁土和农田土接近中性。

表1 西部农田土壤的状况Tab. 1 West farmland soil

慢应变速率试验分别在空气和三种土壤模拟溶液中进行，拉伸速率为10-6s-1，试验温度为室温。在土壤模拟溶液中进行试验时，先预加-1.1 V(相对铜/硫酸铜电极,CSE)恒电位持续24 h后开始试验。试验过程中，试样的给定电位为-1.1 V(CSE)。试验结束后试样依次用蒸馏水、无水酒精清洗后烘干，采用SEM对拉伸断口进行分析。电化学测试采用三电极体系，X80钢试样作为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，用电化学工作站在三种土壤模拟溶液中从自腐蚀电位向负向扫描800 mV，以0.5 mV/s扫描速率测试阴极极化曲线。文中所用电位若无特指,均相对于CSE(CSE=SCE-72 mV)。

2 结果与讨论

由图2可见,试样在三种土壤环境中的开路电位均在-0.72 V附近，随着极化电位的不断负移，电流密度逐渐增加。极化电位在-1.0 V以上时，试样在三种土壤环境中的极化曲线基本重合；当极化电位负于-1.0 V，随着极化电位的负移，试样在三种土壤环境中的电流密度差距逐渐增加，同样的极化电位下，试样在三种土壤环境中的电流密度从小到大依次为：农田土壤模拟溶液>戈壁土壤模拟溶液>沙漠土壤模拟溶液。

图2 试样在三种土壤模拟溶液中的阴极极化曲线Fig. 2Cathodic polarization curves of sample in 3 kinds of soil simulation solutions

由图3可见,与试样在空气中SSRT结果相比，试样在-1.1 V给定电位下，不同土壤模拟溶液中的抗拉强度σb和延伸率δ均发生不同程度的降低。试样在三种土壤模拟溶液中的抗拉强度σb和延伸率δ由大到小依次为:农田土壤模拟溶液、戈壁土壤模拟溶液和沙漠土壤模拟溶液。

为了进一步分析试样的塑性损失，根据公式(1)计算X80钢的断面收缩率。经计算,试样在农田土壤模拟溶液中的断面收缩率为50.8%，在戈壁土壤模拟溶液中的断面收缩率为40.8%，在沙漠土壤模拟溶液中的断面收缩率为26.7%。

图3 -1.1 V(CSE)给定电位下,试样在不同土壤模拟溶液中的SSRT结果Fig. 3 SSRT results of sampls with -1.1 V (CSE) applied potential in 3 kinds of soil simulation solutions

式中:S0和S分别为试验前后试样的截面积。

根据公式(2)计算X80钢在不同环境中的氢脆系数。经计算,试样在农田土壤模拟溶液中的氢脆系数为34.1%，在戈壁土壤模拟溶液中的氢脆系数为47.2%，在沙漠土壤模拟溶液中的氢脆系数为65.5%。

式中:FH为氢脆敏感系数;ψ0为在空气中拉伸的断

面收缩率;ψ为试样在介质中拉伸时的断面收缩率。

由图4可见,空气中拉断的试样的断口出现明显的颈缩，微观形貌为韧窝状。与空白试验相比，在-1.1 V给定电位条件下，试样在农田土壤模拟液、戈壁土壤模拟溶液、沙漠土壤模拟溶液中经SSRT后，其断口的颈缩程度依次减小，微观形貌以准解理为主。这说明在-1.1 V给定电位条件下,X80钢在不同土壤模拟溶液中都具有明显的氢脆敏感性，同时也表明X80钢的氢脆敏感性会受到外部环境的影响。

在土壤模拟溶液中，随极化电位的负移，阴极首先发生吸氧反应，见式(3)；当极化电位达到析氢过电位时阴极才会发生析氢反应，见式(4)和(5)。由于土壤模拟溶液中的溶解氧含量有限，随着电位继续负移，氧的还原电流密度会达到氧极限扩散电流密度，阴极主要以析氢电流密度为主。从图2试样在三种土壤模拟溶液中的阴极极化曲线可以看出，在-0.9 V电位附近，存在析氢反应和吸氧反应的转折拐点，在转折点的电位以下，阴极析氢反应占主导作用。因此较负电位下,试样在三种土壤环境中的极化曲线的差异主要是由于同样电位下三种环境中析氢电流密度不同导致的。

(a) 空气,宏观 (b) 空气,微观 (c) -1.1 V(CSE),农田土壤模拟液,宏观(d) -1.1 V(CSE),农田土壤模拟液,微观

(e) -1.1 V(CSE),戈壁土壤模拟液,宏观(f) -1.1 V(CSE),戈壁土壤模拟液,微观(g) -1.1 V(CSE),沙漠土壤模拟液,宏观(h) -1.1 V(CSE),沙漠土壤模拟液,微观 图4 试样在不同试验条件下SSRT后的断口形貌Fig. 4 Fracture morphology of the samples after SSRT under different test conditions: (a) tensile in air,macro; (b) tensile in air,micro; (c) tensile at -1.1 V (CSE) potential in farmland soil simulation solution,macro; (d) tensile at -1.1 V (CSE) potential in farmland soil simulation solution, micro; (e) tensile at -1.1V (CSE) potential in gobi soil simulation solution,macro; (f) tensile at -1.1V (CSE) potential in gobi soil simulation solution,micro; (g) tensile at -1.1 V (CSE) potential in desert soil simulation solution,macro; (h) tensile at -1.1 V (CSE) potential in desert soil simulation solution,micro

由表1可见，沙漠土壤、戈壁土壤和农田土壤中离子含量依次降低。其中，沙漠土壤中离子含量最高，戈壁土壤模中的次之，农田土壤中的最低,同时pH也依次增加。两种因素均导致在相同的给定电位下，试样的阴极析氢电流密度依次增加。

阴极析氢首先是氢离子还原成吸附在电极表面的氢原子，绝大部分吸附氢原子复合脱附或者电化学脱附结合成氢分子形成气泡析出；另一部分吸附氢原子进入金属并向内部扩散。在慢应变速率条件下，氢原子会向裂尖扩展，并形成气团阻碍位错的滑移，导致脆性增加。

图2中,在-1.1 V电位下，阴极电流密度由大到小依次为:沙漠土壤模拟溶液、戈壁土壤模拟溶液和农田土壤模拟溶液，即三种模拟溶液中的阴极析氢电流密度逐渐降低，析氢电流密度越高，阴极产生的吸附氢原子数量越多，能够扩散进入X80钢内部的氢原子数量也越多，导致X80钢在此环境中的氢脆敏感性越高，这与不同环境中由慢应变速率试验得到的氢脆系数结果一致。

3 结论

(1) 在外加-1.1 V电位条件下，在新疆农田、戈壁和沙漠三种典型的土壤模拟溶液中，X80钢均发生强度和塑性损失，表现出氢脆敏感性。

(2) 相同的给定电位下，不同土壤模拟溶液中的氢脆敏感性不同，由大到小依次排序为新疆沙漠土>新疆戈壁土>新疆农田土。

(3) 阴极析氢电流密度是影响氢脆敏感性的主要因素，相同的给定电位下，随着土壤电导率的增加和pH的降低，阴极析氢电流密度增加，X80钢的氢脆敏感性增加。

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Hydrogen Embrittlement Behavior of X80 Steel in Different Xinjiang Soil Environments

YANG Yong-he1, HU Jiang-feng1, DING Rong1, WU Jian-cheng1, XU Chun-yan1, LI Zhen-jun1, FANG Wei-lin1, SUN Bing-bing1, WANG Xiu-yun2

(1. Petrochina West Pipeline Company, Urumqi 660008, China; 2. Safetech Research Institute (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100083, China)

Hydrogen embrittlement of large diameter X80 pipeline steel in the simulation solutions of three typical soils in Xinjiang was studied by slow strain rate test (SSRT) with applied potential, SEM and potentiodynamic polarization curve. The results showed that at -1.1 V (CSE) cathodic potential, the strength and plastic deformation losses of X80 steel occurred, indicating the hydrogen embrittlement sensitivity. In different environments, with the increase of soil electrical conductivity and the decrease of pH, hydrogen embrittlement sensitivity of the X80 steel increased.

cathodic polarization; X80 pipeline steel; hydrogen embrittlement; soil simulation solution

10.11973/fsyfh-201701011

2015-07-03

杨永和(1970-)，高级工程师，博士，能源与环保，0991-7561381,yhyang@petrochina.com.cn

TG174

A

1005-748X(2017)01-0050-04