氫對高鋼級(jí)管線鋼止裂性能的影響

姜永濤，顧清林，曹國飛，修林冉，毛 建，封 輝

(1.中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸分公司 上海 200135；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

我國天然氣管道向高鋼級(jí)、大口徑和大壁厚方向發(fā)展，其對管線鋼材料強(qiáng)度和韌性的要求也越來越高。由于輸送介質(zhì)具有較大的可壓縮性，且氣體減壓波速慢，使得天然氣管線破裂后往往發(fā)生長程裂紋擴(kuò)展[1]。上世紀(jì)，美國一條管徑914 mm的X65天然氣管線發(fā)生開裂并延性擴(kuò)展，擴(kuò)展距離達(dá)到300 m[2]。天然氣管線若發(fā)生破裂失效，通常會(huì)發(fā)生爆炸和燃燒，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。隨著鋼級(jí)、輸送壓力、管徑及設(shè)計(jì)系數(shù)的不斷提高[3]，管道的延性斷裂成為了斷裂的主要方式，延性裂紋在一定條件下也會(huì)發(fā)生長程擴(kuò)展，且已經(jīng)嚴(yán)重威脅管道安全并成為制約高鋼級(jí)管線鋼管廣泛應(yīng)用的瓶頸問題[4]，高鋼級(jí)管線鋼管的止裂問題也就成了研究的焦點(diǎn)[5-7]。

另一方面，研究人員發(fā)現(xiàn)高鋼級(jí)管線鋼存在一定的氫脆風(fēng)險(xiǎn)[8]。在管道實(shí)際運(yùn)行過程中通常采用陰極保護(hù)措施抑制管道材料的腐蝕，然而若陰極保護(hù)不當(dāng)或交直流干擾可造成管道材料過保護(hù)，導(dǎo)致陰極過量析氫產(chǎn)生氫脆[9-10]；此外我國高壓直流輸電工程蓬勃發(fā)展，然而在輸電系統(tǒng)故障或檢修時(shí)會(huì)有高達(dá)幾千安培的電流通過接地極入地[11]，如此大的電流使得幾十公里范圍內(nèi)的埋地天然氣管道面臨氫脆風(fēng)險(xiǎn)。已有報(bào)道表明，西二線廣東段X80管線有多處受高壓直流干擾，嚴(yán)重影響油氣輸送管道的安全運(yùn)營。

目前高鋼級(jí)管線鋼管的斷裂控制問題已有較多報(bào)道，但對于臨氫環(huán)境油氣輸送管道的止裂問題還缺乏深入研究。本文以X80高鋼級(jí)管線鋼為研究對象，研究氫對高鋼級(jí)管線鋼止裂性能的影響，為保證油氣管道安全運(yùn)營提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用X80直縫埋弧焊管，其對應(yīng)尺寸規(guī)格及化學(xué)成分見表1，其微觀組織主要由針狀鐵素體組成，并且晶粒尺寸較小，針狀鐵素體寬度為2 mm左右，晶粒度約為11級(jí)，該組織類型的管線鋼通常具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配，如圖1所示。

表1 試驗(yàn)用管線鋼規(guī)格及化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 試驗(yàn)用X80管線鋼微觀組織

1.2 試驗(yàn)方法

在距焊縫90°處的管體取橫向夏比V型缺口沖擊試樣樣坯，靠近鋼管外表面加工成10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，V型缺口沿壁厚方向垂直鋼管表面。試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為ZBC 2752-B，試驗(yàn)按ASTM A 370-17進(jìn)行。

沖擊試樣加工完成后分別進(jìn)行不同參數(shù)充氫試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為0.5 mol/L H2SO4，電流密度為50 mA/cm2，充氫試驗(yàn)分別為0 h和24 h。充氫后沖擊試樣分別在20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、和-60 ℃進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，通過沖擊試驗(yàn)結(jié)果研究氫對X80管線鋼焊縫止裂性能影響。采用JEM-ARM200F型電子掃描顯微鏡對拉伸斷口進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高鋼級(jí)管線鋼管止裂性能計(jì)算

Battelle雙曲線法目前應(yīng)用最廣泛，它的原理是通過對比材料阻力曲線(J曲線)和氣體減壓波曲線來確定止裂韌性[12-13]。當(dāng)兩條曲線相切時(shí)，代表在某一壓力下氣體減壓波速率與裂紋擴(kuò)展速率相同，即達(dá)到止裂的臨界條件，與此條件相對應(yīng)的韌性即為Battelle雙曲線法確定的止裂韌性。如果材料阻力曲線和減壓波曲線沒有交點(diǎn)，則在任何條件下減壓波速率都大于裂紋擴(kuò)展速率，裂紋尖端的壓力將一直下降至零，隨著驅(qū)動(dòng)力(裂紋尖端壓力)的逐漸下降，裂紋將最終停止擴(kuò)展。

輸送介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)都需要由氣體狀態(tài)方程來確定，目前已發(fā)表的狀態(tài)方程包括AGA-8，BWRS，SRK，PR，GERG等，其中GERG狀態(tài)方程計(jì)算精度較高，常用于天然氣減壓波計(jì)算[12]。西氣東輸二線氣質(zhì)組分如表2所示，根據(jù)相關(guān)狀態(tài)方程可計(jì)算該氣質(zhì)組分減壓波曲線。

表2 用于計(jì)算西氣東輸二線止裂韌性的氣質(zhì)組分(體積分?jǐn)?shù)) %

以西氣東輸二線X80直縫埋弧焊管為例，管徑1 219 mm，壁厚取18.4 mm，壓力12 MPa，屈服強(qiáng)度取550 MPa，彈性模量208 GPa，所得BTC曲線如圖2所示，可見止裂韌性CVN 能量計(jì)算值為152 J。ISO 3183指出, 當(dāng)預(yù)測結(jié)果大于100 J 時(shí), 應(yīng)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正。修正系數(shù)由全尺寸實(shí)物爆破試驗(yàn)結(jié)果確定為1.43[6]。通過計(jì)算可知該氣質(zhì)組分及管道參數(shù)條件下止裂韌性平均最小值為220 J。

圖2 西氣東輸二線BTC曲線計(jì)算結(jié)果

2.2 氫對高鋼級(jí)管線鋼管止裂性能的影響

圖3為不同充氫參數(shù)下X80管線鋼管體材料系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，未充氫管體材料隨沖擊試驗(yàn)溫度降低，沖擊功沒有明顯降低，均維持在300 J左右，充氫后管體沖擊功低于未充氫沖擊試樣，且不同試驗(yàn)溫度充氫與否沖擊功差值存在一定波動(dòng)性。圖4為不同充氫參數(shù)下X80管線鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線，可以看出未充氫試驗(yàn)沖擊斷口剪切面積均為100%，充氫后斷口剪切面積略有降低，但均高于90%，斷口為韌性斷裂特征。

圖5為不同充氫參數(shù)X80管線鋼在不同試驗(yàn)溫度沖擊斷口形貌?？梢钥闯鰯嗫谟衫w維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇組成，且纖維區(qū)所占比例較大，韌窩明顯，均為韌性斷裂特征，這與管線鋼沖擊性能測試結(jié)果相一致。

圖3 不同充氫參數(shù)下X80管線鋼系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同充氫參數(shù)下X80管線鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

研究金屬材料的氫脆敏感性最常用的方法是慢應(yīng)變速率拉伸，即在氫氛圍中以10-4～10-6s-1應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在試樣緩慢變形過程中，氫原子在應(yīng)力作用下聚集到缺陷或裂尖處，進(jìn)而產(chǎn)生明顯的氫脆現(xiàn)象[14-16]。對于高壓輸氣管道的長程延性斷裂，其裂紋擴(kuò)展速度可達(dá)200 m/s以上，氫的偏聚過程難以跟上裂紋擴(kuò)展速率，因此本文未采用評(píng)價(jià)方法過于保守的慢應(yīng)變速率拉伸，而是采用應(yīng)變速率更高的沖擊試驗(yàn)。

圖5 不同充氫參數(shù)下X80管線鋼沖擊斷口形貌

在非飽和充氫條件下，氫對金屬材料宏觀性能產(chǎn)生影響需要一個(gè)緩慢的偏聚過程，即可擴(kuò)散氫原子在金屬晶格間聚集超過一定限度才可體現(xiàn)材料的氫脆敏感性，該過程受氫濃度梯度、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等因素影響，因此應(yīng)變速率較低的變形通常對氫較為敏感[17-18]。本試驗(yàn)中沖擊錘頭速度可達(dá)5～10 m/s，沖擊試樣裂紋擴(kuò)展速率較快，在此實(shí)驗(yàn)條件下，X80管線鋼充氫后沖擊功仍出現(xiàn)一定程度的降低，一方面驗(yàn)證了X80管線鋼存在氫脆敏感性，另一方面說明電化學(xué)充氫過程改變了部分沖擊試樣的材料特性，導(dǎo)致沖擊韌性下降。此外有文獻(xiàn)報(bào)道，電流密度為50 mA/cm2的電化學(xué)充氫可能會(huì)導(dǎo)致金屬材料的表面損傷[19-20]，這可能也是導(dǎo)致X80管線鋼充氫后沖擊功降低的因素。

由圖3可知，X80管線鋼材料充氫后沖擊功略有降低，但均高于250 J，高于X80管線鋼止裂條件220 J，說明試驗(yàn)用管線鋼材料在文中充氫條件下可以實(shí)現(xiàn)自身止裂。對于西氣東輸二線來說，圖6為西二線用鋼管的沖擊韌性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，沖擊功數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布特征，可以看出100%數(shù)據(jù)樣本高于單個(gè)最小值170 J，97.5%數(shù)據(jù)樣本高于平均最小值220 J，即可以防止管道發(fā)生裂紋長程擴(kuò)展。

圖6 X80西氣東輸二線管體沖擊功統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文研究了電化學(xué)充氫條件下氫對X80管線鋼止裂性能的影響，并對斷口形貌進(jìn)行觀察，得到結(jié)論如下：

1)X80管線鋼電化學(xué)充氫后沖擊功降低，沖擊斷口剪切面積變化不大，沖擊斷口均為韌性斷口。

2)X80管線鋼電化學(xué)充氫后沖擊功均高于管線止裂所需最小韌性值220 J，即可以防止管道發(fā)生裂紋長程擴(kuò)展。