外加电位条件下X100_X...0管线钢的应力腐蚀行为研究_黄涛.pdf
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1、 外加电位条件下 管线钢的应力腐蚀行为研究黄 涛,郭 杰,魏开华,陈嘉琦,薛慧勇,王晓峰(钢铁研究总院有限公司,北京;中国石油规划总院,北京)摘 要 以、管线钢为研究对象,通过在外加电位条件下的慢应变拉伸速率试验(),获取管线钢材料在空气中和不同外加电位下的慢拉伸应力腐蚀的应力应变曲线,分析其应力腐蚀敏感性可知:外加电位对 和 管线钢在 中性溶液中的 敏感性和腐蚀开裂机理有显著影响。相同应力腐蚀条件下,管线钢的 敏感性相对于 管线钢更低。结合断口微观形貌和极化曲线快、慢扫测试分析 耐腐蚀性能的特征和差异,可以得出 和 管线钢材料在不同外加电位条件下的应力腐蚀机理类型:当外加电位高于 时,金属处
2、于活化溶解状态;当外加电位置于(钢)或(钢)时,机理为膜破裂阳极溶解()和氢致开裂()型;如果外加电位进一步降低,机理表现为氢致开裂型。关键词 管线钢;应力腐蚀;敏感性;管线钢;管线钢中图分类号 文献标识码 :文章编号(),(,;,):,(),;()(),(),:;收稿日期 通信作者 郭 杰(),博士,高级工程师,主要从事油气管道的前期规划工作,:前 言管线钢的腐蚀过程是十分复杂的,其周围各种各样的环境条件,包括低温、值、应力、土壤、或气体、微生物、交流电、盐滴和冲蚀颗粒等会导致不同的腐蚀过程。近年来,随着我国经济的发展,管道越来越多地受到周边杂散电流的影响,针对 钢在外加电位条件下的应力腐蚀
3、行为的研究较多,为管线钢的应力腐蚀开裂问题提供了有益参考,但目前对于 管线钢的腐蚀特性的研究较有限,在特定的腐蚀介质环境下的应力腐蚀开裂研究也鲜有报道。因此,本工作以 试验钢为研究对象,以含 的中性溶液为腐蚀试验介质来模拟土壤溶液,通过在外加电位条件下的慢应变拉伸速率试验,获取管线钢材料在空气中和不同外加电位下的慢拉伸应力腐蚀的应力应变曲线,分析其应力腐蚀敏感性。结合断口微观形貌和极化曲线快、慢扫测试分析 耐腐蚀性能的特征和差异。试 验试样从某钢厂生产的管线钢成品上切割,有 和 种规格。采用 型微机控制慢拉伸试验机开展慢应变速率拉伸试验(,),将载荷以相对缓慢的应变率施加于空气和腐蚀性介质中的
4、试样,考察高等级管线钢应力腐蚀敏感性大小。本研究中的慢应变速率拉伸试验在空气和质量分数 溶液中进行,拉伸应变速率为 ,试样设计见图。依据 “金属和合金的应力腐蚀试验第 部分:慢应变速率试验”的方法对应力腐蚀破裂所展现出的敏感性进行分析判断见式()。称为应力腐蚀敏感因子,该比值越小,材料对应力腐蚀的敏感性越高,可用断面收缩率或断后伸长率来评定。试样在试验环境中得到的结果试样在惰性介质环境中得到的结果()图 慢应变速率拉伸试样尺寸 结合 型微机控制慢拉伸试验机,利用 型电化学工作站外加阴极电位(个电位,均相对于饱和甘汞电极而言)与自腐蚀电位条件下的腐蚀行为对比,该慢拉伸应力腐蚀试验装置如图 所示。
5、应用传统三电极体系:工作电极为测试试样,对电极即铂电极,参比电极即饱和甘汞电极。慢拉伸试验的试样断口采用加有金属去污剂的超声波清洗,选用 扫描电镜()对断口展开微观分析。图 慢拉伸应力腐蚀试验装置 结果与讨论 慢拉伸应力腐蚀性能图 是 管线钢在空气中和不同外加电位(,)下的慢拉伸应力腐蚀的应力应变曲线,表 是相应的数据,为自腐蚀电位。图 表明在溶液和外加电位条件下,钢的应力应变曲线和在空气条件下的基本一致,只在强度和应变值上稍有差别。图 钢在不同外加电位下的应力应变曲线 表 钢在不同试验条件下的慢拉伸应力腐蚀试验数据 试验条件断裂时间 抗拉强度 伸长率面缩率空气中 溶液中 从表 可以看出,相对
6、于空气状态下,随着外加电位的增加,材料的抗拉强度值略有下降,且伸长率和面缩率均有下降,这表明 钢在该环境下存在腐蚀开裂(,)敏感性。当外加电位 值等于材料的开路电位值时,即在 的条件下,材料的面缩率最小,说明在自腐蚀条件下材料的 敏感性最高。这是因为在该条件下材料的电化学腐蚀过程达到平衡状态,从腐蚀微观角度来看,此时的电流密度值最大,一旦外加电位超过自腐蚀电位值时,平衡状态被打破,电化学过程朝着更有利于反应发生的方向进行。当外加电位达到一定程度时,材料的电化学腐蚀过程甚至会被抑制,此时外加电位起到保护作用,如在 的条件下,试样的面缩率出现峰值,断裂时间也达到一个较低值。为了更进一步区分和评价外
7、加电位对材料的 敏感性影响,借助于工程常用的氢脆系数 来评价氢脆敏感性,规定 为断面收缩率损失的百分数,即(空),其中 空、分别表示试样在空气和不同外加电位下的断面收缩率,。根据对 的划分,又可以分为 个区间:安全区()、危险区()和脆断区()。根据上述规定,绘制 钢在不同外加电位下的氢脆系数曲线,如图 所示。在外加电压为,时,材料处于安全区,不会发生氢脆破坏;而当外加电位为自腐蚀电位,即 以及更负的电位(如 )下,材料均处于危险区,要警惕有发生氢脆破坏的风险。图 钢在不同外加电位下的氢脆系数 图 是 钢在不同外加电位(,)下的应力应变曲线,表 是相应数据,是自腐蚀电位。如图可知,空气中以及在
8、不同的外加电位条件下材料的应力应变曲线变化趋势大致相同。上述条件下,材料在拉伸过程中,都存在弹性变形阶段和塑性变形阶段,只是空气、溶液()、外加电位 种条件下材料的塑性变形阶段存在区别,考虑材料平行试样之间的差别,图中从强度上来看差别较小,有无外加电位时,在溶液条件下的断裂时间均短。根据应力腐蚀敏感因子 的定义可知,在溶液条件下慢拉伸时,敏感性最高,随着外加电位的增大,这种敏感性有逐渐减弱的趋势,在 或 条件时,敏感性处于较弱的状态。这表明此时通过外加电位对试样起到保护作用,降低了材料的 敏感性。图 钢在不同外加电位下的应力应变曲线 表 钢在不同试验条件下的慢拉伸应力腐蚀试验数据 试验条件断裂
9、时间 抗拉强度 伸长率面缩率空气中 溶液中 对照图、图、表、表 可以发现,钢和 钢 敏感性的条件不同,在自腐蚀电位条件下 钢的 最敏感,而 钢则是溶液条件下()的 最敏感。通过系列的外加电位慢拉伸试验可以确定 种材料较佳的外加电位范围值,从而在实际工况的服役条件下合理施加外加电位。同样,可以得出 钢的不同外加电位条件下的氢脆系数,如图 所示。根据前文所述,钢在本试验中系列外加电位条件下均能保持良好的性能,或者说通过外加电位的方法能够起到延缓发生应力腐蚀的作用,使材料在一定程度上得到保护。另外,在本试验条件下,钢相对于 钢的 敏感性更低。图 钢在不同外加电位下的氢脆系数 断口微观形貌图 是 钢在
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