X80管線鋼的氫脆性能

李一哲

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島 266111)

管道在服役過程中，會受天然腐蝕介質和人工陰極保護等因素的影響而吸氫，進而導致其發生氫脆[1-2]。截至目前，陰極保護和局部腐蝕已造成大量的氫脆失效事故[3]。因此，評估油氣管道抗氫致應力腐蝕開裂能力對確保其結構完整性具有重要意義。

目前，有關氫脆對金屬材料力學性能影響的研究多是針對不含裂紋拉伸試樣的[4-6]，鮮見含裂紋拉伸試樣的相關報道。了解氫脆對含裂紋結構斷裂韌性的影響，對于暴露在含氫環境中的工程結構，特別是服役管道的工程臨界評估具有重大的現實意義[7-8]。

相較于單邊缺口拉伸(SENT)試樣，緊湊拉伸(CT)試樣和三點缺口彎曲(SENB)試樣裂紋尖端的拘束度較高，不能真實反映實際服役含裂紋管道裂紋尖端的應力拘束度，且SENT試樣的裂紋尖端應力場與含裂紋全尺寸管道的裂紋尖端應力場高度相似[9-12]。因此，對于實際管道，使用SENT試樣測得的斷裂韌性更具有說服力和代表性。然而，目前針對含氫條件下管線鋼斷裂韌性多是使用CT試樣和SENB試樣在實驗室測得的。這就導致所得斷裂韌性值較低，使工程設計過于保守。因此，本工作依據NACE TMO 284-2016《管道和壓力容器用鋼抗氫致開裂能力評價》,制備了SENT試樣和SENB試樣,通過陰極充氫和斷裂韌性試驗，探究氫脆對管線鋼斷裂韌性的影響，以期為服役于含氫環境管道的工程臨界評估提供指導。

1 試驗

1.1 試樣

從中國石油天然氣管道局提供的一段API X80管道上沿管徑向制取試樣，管道外徑為1 016 mm，壁厚為31 mm，其化學成分見表1。拉伸試驗測得試樣的平均屈服強度(Rp)為630 MPa，抗拉強度Rm為780 MPa。

表1 API X80管線鋼的主要化學成分Tab. 1 Main chemical composition of API X80 pipeline steel %

制備4組(每組3個)尺寸完全相同的試樣,形狀和尺寸如圖1和表2所示。試樣帶有2 mm深度的機械加工缺口，然后依據ASTM E1820-2013標準，在室溫下預制2 mm長疲勞裂紋。其中2組試樣用于拉伸試驗，記作SENT試樣，2組試樣用于三點彎曲試驗，記作SEMB試樣。分別取1組SENT試樣和SENB試樣進行充氫。

圖1 試樣的幾何尺寸Fig. 1 Geometrical dimension of specimen

表2 試樣的幾何參數Tab. 2 Geometrical dimension of sample

1.2 試驗方法

通過電化學方法在室溫下對試樣進行陰極充氫，使用龍威LW-3050KD型直流電源供電，電源正極接15 mm×15 mm鉑網，負極接試樣。所用電解液為0.5 mol/L H2SO4+3 g/L NH4SCN混合溶液，其中NH4SCN是氫的毒化劑，可抑制氫在金屬表面形成分子，并促進氫原子進入金屬內部。在充氫前，用砂紙對試樣進行打磨并進行超聲清洗。

使用MTS E64伺服液壓萬能試驗機，按照NACE TMO 284-2016標準在室溫下對充氫試樣和母材試樣進行斷裂韌性試驗，其中SENT試樣為拉伸加載，SENB試樣為彎曲加載。采用位移控制加載方式，加載速率為0.01 mm/s。使用圖2所示的雙引伸計法測量試樣的裂紋嘴張開位移DCMO，并計算對應于最大載荷處的裂紋尖端張開位移(DCTO)值[13]，即

圖2 雙引伸計法測量DCTO示意圖Fig. 2 Schematic illustration of DCTO determination from double clip method

(1)

式中：DCTO為裂紋尖端張開位移，mm；a0為裂紋深度，mm；h1為刀口1的高度，mm；h2為刀口2的高度，mm；V1為刀口1處測量的裂紋嘴張開位移，mm；V2為刀口2處測量的裂紋嘴張開位移，mm。

為防止氫逸散，在氫脆試驗開始前，將充氫后的試樣置于液氮中保存。試驗結束后，使用掃描電鏡對充氫試樣和母材試樣的斷口形貌進行觀察。

2 結果與討論

2.1 電化學充氫

為確定電化學充氫的時間，在10 mA/cm2額定電流密度條件下，對10 mm×10 mm×10 mm的X80試塊進行不同時間的電化學充氫，并使用熱甘油法測定相應的氫含量。為確保試驗結果的可靠性，每組試塊進行3次氫含量的測量并取其平均值，試驗結果如圖3所示。由圖3可見:在10 mA/cm2電流密度下，試驗初期試塊的氫含量隨充氫時間的增加不斷增加；當充氫時間大于2 h后，氫含量的增速逐漸變緩;當充氫時間超過4 h后，試塊的氫含量基本保持不變。因此將電化學充氫的時間定為4 h。

圖3 10 mA/cm2電流密度條件下，平均氫含量隨充氫時間的變化曲線Fig. 3 Change curves of mean hydrogen content with charging time under the condition of 10 mA/cm2current density

2.2 斷裂韌性

由圖4可見:充氫SENT試樣的最大載荷值為39 kN，顯著低于母材SENT試樣的(48 kN);充氫SENB試樣和母材SENB試樣的最大載荷值差距不大，分別為22 kN和23 kN。對于主要承受拉伸載荷的SENT試樣，氫的存在會顯著惡化其承載能力；對于以彎曲加載為主的SENB試樣，氫的存在基本不影響其承載力。此外，充氫SENT試樣和母材SENT試樣的裂紋嘴張開位移分別為0.495 mm和1.178 mm；充氫SENB試樣和母材SENB試樣的裂紋嘴張開位移分別為0.241 mm和0.782 mm。無論SENT試樣還是SENB試樣，母材試樣都在屈服后經歷了較大的裂紋嘴張開位移，充氫試樣的DCMO則沒有明顯張開就達到了試樣的最大載荷，吸收的塑性變形功較少，塑性變形能力較差?？紤]到SENT試樣與實際服役管道的受力狀態更為接近，在工程設計階段，必須對氫惡化載荷承載能力的現象加以重視。

圖4 幾種試樣的載荷-DCMO曲線Fig. 4 Curves of load-DCMO for several samples

表3所示為充氫SENT試樣和母材SENT試樣對應于最大載荷位置處的斷裂韌性，充氫試樣和母材試樣的DCTO平均值分別為0.109 mm和0.568 mm。表4所示為充氫SENB試樣和母材SENB試樣對應于最大載荷位置處的斷裂韌性，充氫試樣和母材試樣的DCTO平均值分別為0.063 mm和0.279 mm。針對上述2種試樣，充氫試樣的斷裂韌性值均約為母材試樣的五分之一，氫的存在顯著惡化了X80管線鋼的斷裂韌性。無論是母材試樣還是充氫試樣，SENB試樣的DCTO值都顯著低于SENT試樣的。對于服役期間主要承受拉伸載荷的管線鋼來說，使用彎曲加載的傳統SENB試樣測定的斷裂韌性值會在工程設計中引入較大的保守性。

表3 充氫和母材的SENT試樣和SENB試樣的斷裂韌性Tab. 3 Fracture toughness for SENT and SENB specimens with and without hydrogen-charging

2.3 裂紋尖端塑性變形

為探究試樣加載過程中氫對裂紋擴展的影響，使用CCD攝像機拍攝對應于最大載荷位置處，充氫SENT試樣和母材SENT試樣的裂紋尖端張開情況。由圖5可見:母材試樣的裂紋發生了明顯的鈍化和塑性變形，且塑性變形區域較大；而充氫試樣的裂紋則比較尖銳，其塑性變形主要集中于裂紋尖端的局部區域。

(a) 充氫試樣 (b) 母材試樣圖5 最大載荷位置處SENT試樣的裂紋尖端形貌Fig. 5 Crack tip morphology of SENT samples under the maximum load condition with (a) and without (b) hydrogen-charging

由圖6可見:裂紋擴展路徑(選取位置為試樣的中厚度面)可大致分為機加工缺口區、疲勞預制裂紋區和裂紋擴展區，其中裂紋擴展區又可分為起裂、穩態擴展和失穩擴展三個階段。在母材試樣預制疲勞裂紋的前端，可以觀察到明顯的韌性鈍化，裂紋呈穩態擴展；而充氫試樣則表現為失穩裂紋擴展，裂紋持續以很小的裂紋張開角擴展，裂紋尖端保持尖銳，不發生鈍化。這是因為在應力的作用下，氫原子大量富集在裂紋尖端區域，降低裂紋起裂和擴展所需的應力和能量，惡化裂紋尖端附近的塑性，進而導致較低的斷裂韌性，如圖7所示。

(a) 充氫試樣

(b) 母材試樣圖6 SENT試樣的裂紋擴展路徑Fig. 6 Crack propagation path of SENT samples with (a) and without (b) hydrogen-charging

(a) 母材試樣 (b) 充氫試樣圖7 SENT試樣的裂紋擴展示意圖Fig. 7 Schematic illustration of the crack propagation of SENT samples without (a) and with (b) hydrogen-charging

2.4 斷口形貌

由圖8可見:充氫試樣與母材試樣的斷口形貌具有明顯差別，母材試樣的斷口呈典型韌窩斷裂特征，充氫試樣的斷口則呈淺韌窩和脆性斷裂特征，其斷口表面的韌窩及孔洞表明裂紋擴展是包含脆性斷裂和塑性撕裂的混合斷裂機制。在充氫試樣的混合斷裂機制中，塑性撕裂部分吸收了絕大部分斷裂能，然而此過程所能吸收的斷裂能要比純韌性斷裂過程低很多。氫的存在降低了裂紋尖端塑性變形所需要的能量，促進韌性撕裂過程向脆性斷裂轉化，這種斷裂機制的改變造成了母材與充氫試樣斷裂韌性的巨大差異。

(a) 充氫試樣

(b) 母材試樣圖8 SENT試樣的斷口形貌Fig. 8 Fracture morphology of SENT samples with (a) and without (b) hydrogen-charging

3 結論

(1) 氫的存在會顯著惡化SENT試樣的載荷承載能力，而使用傳統SENB試樣無法反映氫對承載能力的影響。鑒于SENT試樣與實際服役管道的受力狀態更為接近，有必要在管線設計中考慮氫對管線承載能力的影響。

(2) 充氫SENT試樣和母材SENT試樣的斷裂韌性平均值分別為0.109 mm和0.568 mm，氫的存在顯著惡化了X80管線鋼的斷裂韌性。此外，充氫SENB試樣的斷裂韌性顯著低于充氫SENT試樣的，在管線設計過程中，使用SENB試樣測定的斷裂韌性值會引入較大的保守性。

(3) 斷裂機制的改變是造成母材與充氫SENT試樣斷裂韌性較大差別的原因，在應力的作用下，氫原子大量富集在SENT試樣的裂紋尖端區域，降低裂紋起裂和擴展所需的應力和能量，顯著惡化裂紋尖端附近的塑性。