應變速率對X80管線鋼應力腐蝕的影響

程 遠，俞宏英，王 瑩，孟 旭，孫冬柏

（1北京科技大學 國家材料服役安全科學中心，北京100083；2北京科技大學 腐蝕與防護中心 表面科學與技術研究所，北京 100083）

隨著石油天然氣需求量的不斷增加，安全運輸開始受到廣泛關注。高級別管線鋼可以在保證安全的基礎上降低成本、提高經濟效益。因此，高級別管線鋼已成為管線鋼發展的一個重要趨勢［1－3］。

管線鋼應力腐蝕是長輸管線的主要失效形式之一，它引起鋼管機械強度顯著下降，在毫無征兆的條件下發生失效，產生嚴重后果。傳統意義上的SCC分為兩種：高pH－SCC和近中性pH－SCC［4，5］。最早在美國發現的高pH－SCC屬沿晶開裂，pH大約在8.0～10.5［6］；在加拿大發現的近中性pH－SCC一般是穿晶型，pH 大約在5.5～8.0［4，7］。針對這兩種類型的應力腐蝕，通常用NaHCO3＋Na2CO3溶液研究高pHSCC，而研究近中性pH－SCC主要利用 NS4溶液［8－13］。但這些模擬溶液是否與實際情況相符仍然有待驗證。此外，有研究針對少數幾種典型土壤利用土壤模擬溶液進行研究［14－17］，但這類研究相對較少。

我國的“西氣東輸二線”工程采用超過8000km的X80管線鋼，工程沿線不同土壤環境對管線鋼有重要影響。因此，研究X80鋼在沿線土壤條件下的應力腐蝕具有重要意義。目前研究大多針對環境條件進行應力腐蝕研究，而針對力學因素研究較少。應變速率對X70鋼應力腐蝕的影響已有相關研究存在［18，19］，但對X80鋼的影響研究很少。

本研究以“西氣東輸二線”工程使用的X80管線鋼為研究對象，針對管道埋設地的我國西北部甘肅玉門地區的土壤環境，利用土壤模擬溶液研究不同應變速率對X80鋼應力腐蝕的影響。

1 實驗材料和方法

實驗材料為我國“西氣東輸二線”工程使用的尺寸為φ1219mm×22mm的X80直縫埋弧焊管。鋼的化學成分見表1，其室溫力學性能分別為：屈服強度694MPa、抗拉強度754MPa、伸長率20.3%、斷面收縮率72.5%。X80鋼的微觀組織主要為針狀鐵素體，如圖1所示。實驗用環境介質以“西氣東輸二線”管線經過的甘肅玉門地區堿性土壤為基礎，對現場采集的土壤進行理化性質分析，根據理化分析結果，用分析純化學藥品和去離子水配制土壤模擬溶液，用醋酸或氫氧化鈉調節溶液的pH值到9.06，模擬溶液成分見表2。

表1 X80鋼化學成分 （質量分數／%）Table 1 Chemical compositions of X80pipeline steel（mass fraction／%）

圖1 X80鋼顯微組織Fig.1 Microstructure of X80pipeline steel

表2 實驗用土壤模擬溶液成分（g·L－1）Table 2 Chemical compositions of simulated soil solution（g·L－1）

慢應變速率拉伸試驗（SSRT）所用的樣品沿管線環向截取，以便和實際受力方向一致。樣品尺寸如圖2所示。拉伸采用三電極體系，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，X80管線鋼試樣為工作電極。

圖2 慢應變速率拉伸樣品尺寸Fig.2 Dimensions of X80steel samples for SSRT

實驗前，樣品表面用砂紙由粗到細打磨到800＃，打磨后用丙酮、去離子、酒精清洗去掉表面的油污后吹干待用。實驗開始前預加300N的載荷，以便消除試驗機內部及夾具的間隙。為了研究應變速率對應力腐蝕的影響，本次研究采用的應變速率范圍為5.0×10－7～5.0×10－6s－1。應力腐蝕敏感性通過材料塑性的降低來表示，利用公式（1）來計算拉伸后樣品的斷面收縮率（Reduction in area）R。R ＝ （1－S／S0）×100% （1）其中：S0表示樣品拉伸前的面積；S表示樣品拉伸后的面積。R的值越小，表示應力腐蝕敏感性越大。

實驗結束后，用超聲波清洗斷裂試樣，然后用掃描電子顯微鏡（SEM）對斷裂試樣進行斷口形貌和斷口側面二次裂紋形貌觀察。

2 實驗結果

2.1 慢應變速率拉伸結果

對X80鋼樣品在不同應變速率下進行了慢應變速率拉伸試驗，拉伸結果如圖3所示，根據SSRT結果及公式（1）得到的不同應變速率下的斷面收縮率如圖4所示。

由圖3可以看出，1.0×10－6s－1應變速率下曲線的應變最小，而2.0×10－6s－1應變速率下有最大的應變，其余應變速率下的應變居中。此外，由圖3還可以看出，1.0×10－6s－1和2.0×10－6s－1應變速率下分別對應強度的最低值和最高值，其余不同應變速率條件下的強度值居中。

圖3 X80不同應變速率下的應力－應變曲線Fig.3 Stress－strain curves of X80steel at different strain rates

圖4表明不同應變速率的斷面收縮率發生明顯變化，各應變速率下的斷面收縮率基本處在40%～60%之間。而X80鋼在空氣中不同應變速率拉伸時的斷面收縮率基本保持在60%～66%。因此，不同應變速率下，X80鋼在土壤模擬溶液中都表現出了一定的應力腐蝕敏感性，與斷面收縮率變化相反，應力腐蝕敏感性存在以下關系：1.0×10－6s－1＞5.0×10－7s－1＞7.5×10－7s－1＞3.5×10－6s－1＞5.0×10－6s－1＞2.0×10－6s－1。

2.2 斷口形貌觀察

不同條件下的慢應變速率拉伸試樣斷口形貌如圖5所示。整體上看，不同應變速率的宏觀斷口都有不同程度的頸縮，而微觀斷口基本都以韌窩形貌為主，這代表不同樣品的斷裂仍然包括韌性斷裂在內。但是，不同樣品卻表現出了一些有別于典型韌性斷裂的特征。

應變速率較低的5.0×10s 和7.5×10s條件下，宏觀斷口頸縮程度小，局部出現少量裂紋，如圖5（a－1），（b－1）。而圖5（a－2），（b－2）微觀斷口的韌窩淺而扁平，有些位置韌窩不明顯，斷口上可以看到細小的微裂紋。這些結果表明X80鋼在較低的應變速率下具有一定的應力腐蝕敏感性。圖4顯示其斷面收縮率大約為45%，明顯低于空氣中的結果。

當應變速率為1.0×10－6s－1時，圖5（c－1）宏觀頸縮不明顯，斷口局部微裂紋較多。而從圖5（c－2）可以看出，典型的韌窩形貌已經消失，部分區域出現類似河流花樣的條紋，表明脆性斷裂所占比重明顯增加。圖4顯示該應變速率下的斷面收縮率為40%，明顯低于其他各個條件，應力腐蝕敏感性最高。

在2.0×10－6s－1，3.5×10－6s－1和5.0×10－6s－1較高應變速率下，圖5（d－1），（e－1），（f－1）斷口頸縮明顯，而圖5（d－2），（e－2），（f－2）有明顯韌窩形貌，韌窩內有微孔存在，韌性特征明顯。從圖4可以看出，這些應變速率的斷面收縮率都高于55%，接近空氣中的結果（60%～66%），應力腐蝕敏感性較低。

2.3 斷口側面形貌觀察

應力腐蝕的一個主要特征就是在主裂紋之外，會有二次裂紋的存在。二次裂紋的分布特點通常是：形核位置多、數量多、裂紋長短和大小不同。斷口側面二次裂紋也是評價應力腐蝕敏感性的重要標準。不同應變速率下進行慢應變速率拉伸，樣品斷裂后的側面形貌如圖6所示，圖6中分別表示了斷口側面宏觀形貌和微觀二次裂紋分布情況。

當應變速率較低時（5.0×10－7s－1和7.5×10－7s－1），宏觀側面斷口已經可以明顯地看到大量的二次裂紋，斷口局部呈現出“鋸齒”狀特征，如圖6（a－1）和圖6（b－1）所示。從圖6（a－2）和圖6（b－2）的微觀斷口形貌可以看出，在靠近主斷口的位置，分布著大量的二次裂紋。二次裂紋數量較多，長短不一，不同二次裂紋之間已經出現了由于擴展而發生合并連接的特征，裂紋與受力方向近似成45°夾角。

當在1.0×10－6s－1應變速率下拉伸時，圖6（c－1）和圖6（c－2）的斷口形貌與圖6（a－1），6（b－1），6（a－2）和圖6（b－2）相似，但是二次裂紋更加明顯。說明1.0×10－6s－1應變速率的應力腐蝕敏感性略高于5.0×10－7s－1和7.5×10－7s－1，但差別不大，這也與圖4反映出的斷面收縮率相差不大的結果一致。

當應變速率高于1.0×10－6s－1時，6（d－1）、圖6（e－1）和圖6（f－1）的宏觀斷口形貌有明顯頸縮，看不出明顯的二次裂紋。而從圖6（d－2），6（e－2）和圖6（f－2）的微觀形貌可以看出，二次裂紋雖然存在，但其分布小而少。高應變速率下的應力腐蝕敏感性普遍較低，這與圖4中斷面收縮率較高的結果吻合。

圖6 不同應變速率下的斷口側面宏觀（1）和微觀（2）形貌（a）5.0×10－7s－1；（b）7.5×10－7s－1；（c）1.0×10－6s－1；（d）2.0×10－6s－1；（e）3.5×10－6s－1；（f）5.0×10－6s－1Fig.6 Macro（1）and micro（2）side surfaces of X80 steel at different strain rates（a）5.0×10－7s－1；（b）7.5×10－7s－1；（c）1.0×10－6s－1；（d）2.0×10－6s－1；（e）3.5×10－6s－1；（f）5.0×10－6s－1

3 分析和討論

應力腐蝕是腐蝕和力學因素的綜合作用過程。裂紋要充分擴展，必須保證裂尖發生溶解，同時溶解后的金屬離子、腐蝕產物等能夠順利離開，保證裂紋區不被堵塞。應力的作用一方面保證裂紋內的物質離開而避免堵塞，另一方面使受腐蝕的裂尖不斷被拉開，促進裂紋的擴展，同時裂尖不斷張開會形成新的金屬面，而新金屬面又會繼續腐蝕。腐蝕和力學相互促進和循環促進了應力腐蝕。

應力腐蝕的裂紋擴展發生過程可以簡單地用圖7表示。包括：（a）金屬表面裂紋形核；（b）腐蝕和力學作用結合，腐蝕促進裂尖溶解，拉應力使裂尖張開產生新金屬面接受腐蝕；拉應力使裂紋內外發生物質交換，保證腐蝕進行和裂紋通道暢通；（c）裂紋擴展，在這種綜合作用不斷循環發展下，裂紋不斷發生擴展。不同速率下應力腐蝕敏感性的差異實際上就是由于不同應變速率對以上幾個步驟影響程度不同造成。

圖7 應力腐蝕的裂紋擴展發生過程Fig.7 Propagation of crack during SCC process

在敏感性最高的1.0×10－6s－1應變速率下，該應變速率基本能夠保證裂紋內和本體溶液之間有足夠時間進行物質交換，保證裂尖處持續發生溶解。同時，應變速率一方面及時的產生拉力作用，使裂尖在拉力作用下不斷地有原子間的鍵合力斷開而形成新的金屬面并被腐蝕；另一方面使裂紋不斷被打開，保證裂紋擴展通道的暢通。在綜合作用下，裂紋擴展過程持續進行，增加了應力腐蝕敏感性。

應變速率為較低的5.0×10－7s－1和7.5×10－7s－1時，會發生如圖8中①的過程。裂紋產生后，裂紋內的溶液與裂紋外的溶液有足夠長的時間發生充分的交換，保證腐蝕過程的順利進行，這在一定程度上能夠保證裂尖部位不斷地發生溶解。但是，較低的應變速率卻不能夠使裂尖及時的被拉開而產生新鮮的金屬面。在這種情況下，萌生的裂紋一方面裂尖不斷發生溶解，但力學作用又沒有及時的保證裂尖不斷張開，這樣會造成部分裂紋尖端由于發生溶解而導致裂紋尖端變鈍，這種裂尖的鈍化作用在一定程度上減緩了裂紋擴展，降低了應力腐蝕敏感性。因此，在此較低的應變速率下，應力腐蝕敏感性相比1.0×10－6s－1條件下略有降低。從圖6的二次裂紋形貌可以看出，應變速率較低時，二次裂紋比較清晰，裂紋較寬，可以認為這些二次裂紋產生后，由于應變速率較低，裂紋受到的腐蝕作用比較大。當應變速率高于2.0×10－6s－1時，會發生如圖8中②的過程。力學作用開始逐漸變強。形核的裂紋在拉應力作用下同樣會不斷擴展而產生新的金屬面。但是由于應變速率較高，裂紋尖端在沒有足夠的時間發生充分的腐蝕時，力學因素已經使得裂紋不斷發生機械擴展。同時，較強的機械擴展使得裂紋內部和外部的溶液沒有足夠時間進行充分的物質交換，這在一定程度上又阻礙了裂尖的腐蝕。因此，腐蝕作用被抑制而導致裂紋腐蝕很少，而機械作用在較高的應變速率下又被不斷加強，應力腐蝕的作用受到很大削弱，因而高應變速率下普遍出現了低的應力腐蝕敏感性。而從圖6的二次裂紋形貌可以看出，應變速率較高時，二次裂紋比較小，說明二次裂紋在整個過程中受到的腐蝕作用比較弱，斷裂主要由力學因素造成。

圖8 不同應變速率的裂紋擴展過程Fig.8 Propagation process of crack at different strain rates

4 結論

（1）不同應變速率下的慢應變速率拉伸實驗表明，應變速率對應力腐蝕敏感性有一定的影響，不同應變速率下的樣品均表現出了一定的應力腐蝕敏感性。

（2）X80鋼在1.0×10－6s－1應變速率下表現出最高的應力腐蝕敏感性。低于該應變速率時，應力腐蝕感性略有降低；高于該應變速率時，應力腐蝕敏感性明顯降低。

（3）不同應變速率下，應力腐蝕敏感性存在差異的主要原因是：應力腐蝕過程中的裂紋擴展主要是一個腐蝕作用和力學作用的聯合過程，這種聯合作用導致了裂紋的不斷擴展。只有在相對適中的應變速率下，腐蝕和力學作用會很好的彼此促進，增大應力腐蝕敏感性。應變速率較低時，腐蝕的作用超過力學作用而使應力腐蝕敏感性略有降低；而較高的應變速率下，力學機械作用為主導造成較低的應力腐蝕敏感性。

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