特高壓直流放電負向干擾條件下X80管線鋼的氫脆敏感性

李 鍇1,顧清林1,姜永濤1,曹國飛1,毛 建1,修林冉1,邢云穎,王修云,呂 超1,王 晶

(1. 中石油管道有限公司 西氣東輸分公司,上海 200122； 2. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 100083)

隨著能源需求的日益增加，油氣管道和高壓直流輸電工程高速發(fā)展[1]。目前，我國已建立橫跨東西、縱貫?zāi)媳钡挠蜌夤艿谰W(wǎng)絡(luò)，未來油氣管網(wǎng)將會更加密集，且新建管道多采用高鋼級大口徑管線。高壓直流輸電因其技術(shù)上的優(yōu)點成為遠距離、跨區(qū)域電能輸送的重要手段，近年多條高壓、特高壓直流輸電工程相繼投運或進入規(guī)劃設(shè)計階段[2-3]。受到選址原則及現(xiàn)場條件的影響，輸電系統(tǒng)與油氣管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不可避免地存在多處共用公共走廊或者交叉并行的情況。

我國高壓直流輸電工程一般采用雙極平衡運行方式，接地極入地電流基本為零，然而在設(shè)備故障或者自然災(zāi)害條件下，單極閉鎖，接地極將釋放數(shù)千安培的入地電流，在土壤中形成大范圍的直流電壓場，對油氣管道產(chǎn)生干擾。接地極陰極或陽極放電時，管道上靠近或遠離接地極一側(cè)會出現(xiàn)電位大幅負向偏移，監(jiān)測到管道上的干擾電壓可達300 V以上[4-5]。高鋼級管材具有較強的氫脆敏感性[6-8]，當(dāng)管道電位較負時(較高負向電流)，管道存在較大的氫脆風(fēng)險。研究表明，X80管線鋼在-0.1～0.5 mA/cm2電流密度下即發(fā)生明顯的脆斷[6，8]，在-1.0～-1.07 V電位下會發(fā)生明顯脆斷[9-11]。特高壓直流接地極放電時,流入管道中的干擾電流的電壓遠高于以上數(shù)值，負向干擾下金屬表面會發(fā)生大規(guī)模析氫反應(yīng)，氫脆風(fēng)險急劇增加。但特高壓直流放電一般為短時非連續(xù)放電，干擾間隔及干擾頻次對氫脆敏感性的影響規(guī)律和影響程度尚不明確，國內(nèi)鮮見相關(guān)研究報道。為避免管道因氫脆引發(fā)災(zāi)難性事故，保障管道的安全運行，開展特高壓直流接地極放電時負向干擾對管道氫脆的影響具有重要的意義。

本工作選擇大口徑X80管線鋼為研究對象，模擬現(xiàn)場特高壓直流接地極放電干擾環(huán)境，通過氫含量及慢應(yīng)變速率試驗研究了干擾間隔和干擾頻次對氫脆敏感性的影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料選用大口徑X80管線鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為：0.070% C，0.21% Si，1.61% Mn，0.002 5% S，0.008 1% P，0.13% Mo，0.041% Nb，0.12% Ni，0.14% Cu，0.012% Ti，F(xiàn)e余量。按照GB/T 228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》測得其屈服強度和抗拉強度分別為605 MPa和669 MPa。從X80管線鋼母材處取樣，在試樣表面分別沿平行和垂直于軋制方向進行打磨拋光，再經(jīng)4%(體積分數(shù))硝酸乙醇溶液侵蝕后觀察其組織形貌。X80管線鋼的組織晶粒度細小且分布均勻，以針狀鐵素體為主，軋制方向無明顯帶狀組織，如圖1所示。

試驗用土壤取自廣州地區(qū)，土壤為近中性土壤，pH為6.51，其離子含量如表1所示。測試時將現(xiàn)場取回的土壤烘干，加去離子水配制成含水量50%(質(zhì)量分數(shù))的土壤進行試驗。

1.2 氫含量測試

在含水量50%的土壤環(huán)境中通過特高壓直流接地極放電干擾-陰極保護模擬試驗對X80管線鋼進行充氫。試驗采用三電極體系進行：陰極為X80管線鋼試樣，輔助陽極為MMO(mixed metal oxide)棒，參比電極為飽和甘汞電極。根據(jù)特高壓直流接地極放電干擾現(xiàn)場檢測情況，通過調(diào)節(jié)恒電流源的輸出參數(shù)選擇不同干擾電流密度，模擬特高壓直流接地極放電產(chǎn)生的負向干擾(以下簡稱干擾)，通過恒電位儀施加陰極保護(以下簡稱陰保)，使陰保電位維持在-1.0 V(相對于飽和硫酸銅參比電極CES)。試驗時通過控制干擾和陰保施加時間，研究不同干擾間隔和干擾頻次對X80管線鋼中氫含量的影響。為避免導(dǎo)線焊接和焊接點對充氫結(jié)果的影響，將試樣加工成圖2所示的特殊形狀，試樣左側(cè)為充氫及測試區(qū)域，尺寸為15 mm×30 mm×3 mm，右側(cè)為封樣區(qū)，中間通過寬度為2 mm的短梁連接。充氫試驗前，在試樣右側(cè)的封樣區(qū)焊接導(dǎo)線，并用環(huán)氧樹脂和PVC管進行封裝。充氫試驗后，立即剪斷試樣連接梁，將測試端放入液氮中保存。采用熱脫附光譜儀(TDS)測試樣中釋氫曲線，然后對釋氫曲線進行積分，獲得氫含量。

(a) 平行于軋制方向

(b) 垂直于軋制方向圖1 X80管線鋼的顯微組織Fig. 1 Microstructure of X80 pipeline steel: (a) parallel to rolling direction; (b) perpendicular to rolling direction

×10-5%

圖2 氫含量測試試樣Fig. 2 Sample for hydrogen content test

1.3 慢應(yīng)變速率試驗

參照ISO3183-2012《石油天然氣工業(yè)管道運輸系統(tǒng)用鋼管》規(guī)定，沿垂直于鋼板的軋制方向切取棒狀試樣。試驗前試樣表面用水砂紙逐級(至800號)打磨，打磨方向與拉伸方向一致，用蒸餾水和酒精清洗，冷風(fēng)吹干。分別在空氣和同時施加陰保和干擾的土壤環(huán)境中進行慢應(yīng)變速率試驗(SSRT)，拉伸速率為10-6s-1，試驗溫度為室溫。其中，在土壤環(huán)境中進行試驗時，試驗前采用硅膠對試樣進行封樣，暴露中間1 cm2測試段，待硅膠固化后，將試樣裝入慢應(yīng)變速率拉伸試驗機配比的土壤介質(zhì)盒中。介質(zhì)盒中同時放入MMO陽極和參比電極，拉伸試樣作為陰極，采用恒電位儀和恒電流源對拉伸過程中的試樣施加干擾和陰保。通過拉伸曲線及試驗前后的斷口尺寸，分析X80鋼的氫脆敏感性。

2 結(jié)果與討論

2.1 X80管線鋼中氫含量

實際環(huán)境中，特高壓直流接地極單次放電時間較短，兩次放電間通常有較長的時間間隔。為研究干擾間隔和干擾頻次對X80管線鋼中氫含量累積規(guī)律的影響，采用短時干擾及間隔干擾的方式對試樣進行充氫。根據(jù)文獻[9-10]研究結(jié)果，當(dāng)陰保電位負于析氫電位時，即使在陰保作用下也會發(fā)生析氫反應(yīng)，陰保電位越負，陰極析出的氫原子量越多。正常情況下，陰保電位范圍為-1.2～-0.85 V(相對于CSE)，根據(jù)現(xiàn)場陰保情況，選取-1.0 V為干擾后的陰保電位。在含水量50%的土壤環(huán)境中，對X80管線鋼以125 mA/cm2電流密度干擾1 h后，再以-1.0 V進行不同時間的陰保，測鋼中氫含量變化情況。

從圖3可以看出，不同陰保時間的釋氫曲線均存在兩個峰值，第一個峰值出現(xiàn)在100 ℃附近，第二個峰值出現(xiàn)在400 ℃附近，根據(jù)釋氫曲線將測到的氫分為兩部分，一部分為較低溫度逸散出的可擴散氫，另一部分為達到較高溫度后才能擺脫束縛散逸出來的陷阱氫。對釋氫曲線進行積分，獲得陷阱氫、可擴散氫和總氫，結(jié)果如圖4所示。

圖3 含水量50%土壤中陰保時間對干擾后X80管線鋼釋氫曲線的影響Fig. 3 Effect of cathodic protection time on hydrogen release curves of X80 pipeline steel after interference in soil with water content of 50%

圖4 含水量50%土壤中陰保時間對干擾后X80管線鋼中氫含量的影響Fig. 4 Eeffect of cathodic protection time on hydrogen content in X80 pipeline steel after interference in soil with water content of 50%

從圖4中可以看出，不同陰保時間X80管線鋼內(nèi)部的陷阱氫含量變化不大，均略高于空白樣中的陷阱氫含量；X80鋼內(nèi)部的可擴散氫含量隨在陰保時間的延長而逐漸降低，其中，陰保時間在24 h以內(nèi)時，可擴散氫含量變化較大，超過24 h后，可擴散氫含量基本穩(wěn)定，其值高于空白樣中的陷阱氫含量。這說明在特高壓直流接地極放電干擾后的正常陰保過程中，X80鋼內(nèi)部的可擴散氫會向空氣中逸散，但陰保時間超過24 h后，氫含量基本達到穩(wěn)態(tài)，達到穩(wěn)態(tài)后的氫含量高于無干擾狀態(tài)下空白試樣中的氫含量。

為了進一步明確干擾頻次對X80管線鋼中氫含量的影響，在含水量50%土壤環(huán)境中，對X80管線鋼以 125 mA/cm2電流密度干擾1 h，然后以-1.0 V陰保24 h，如此干擾-陰保循環(huán)3次后，測氫含量，并與單次干擾1 h的氫含量測試結(jié)果進行對比，如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，隨著干擾頻次的增加，X80管線鋼中可擴散氫含量明顯增加，陷阱氫含量略有增加。這說明在非持續(xù)干擾的條件下，干擾總時長的延長也會使X80管線鋼中的氫含量增加。

圖5 含水量50%土壤中干擾頻次對X80管線鋼釋氫曲線的影響Fig. 5 Effect of interference frequency on hydrogen release curves of X80 pipeline steel in soil with water content of 50%

圖6 含水量50%土壤中不同干擾頻次下X80管線鋼中的氫含量Fig. 6 Hydrogen content in X80 pipeline steel at different interference frequencies in soil with water content of 50%

2.2 X80管線鋼的氫脆敏感性

X80鋼在含水量50%土壤中在4種干擾條件進行慢應(yīng)變速率試驗。4種干擾條件如下：-1.0 V正常陰保無干擾(以下稱無干擾)；開始以10 mA/cm2干擾2 h后，再-1.0 V正常陰保(以下稱開始干擾)；10 mA/cm2干擾2 h和-1.0 V陰保24 h交替加載(以下稱間隔干擾)；以10 mA/cm2持續(xù)干擾(以下稱持續(xù)干擾)。

不同干擾條件下X80鋼的SSRT曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，不同干擾條件下。X80管線鋼的強度變化不大，但斷后伸長率有明顯差異。正常陰保無干擾條件下，X80管線鋼的斷后伸長率最高，具有較好的塑性；隨著干擾時間的延長， X80管線鋼的斷后伸長率逐漸降低。

圖7 不同干擾條件下X80管線鋼的慢應(yīng)變速率拉伸曲線Fig. 7 SSRT curves of X80 pipeline steel under different interference conditions in soil with water content of 50%

根據(jù)式(1)～(2)計算X80管線鋼在不同條件下的斷面收縮率和斷后伸長率,計算結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：隨干擾時間的延長，X80管線鋼的斷面收縮率和斷后伸長率均發(fā)生下降。

(1)

(2)

式中：ψ為斷面收縮率；S0為拉伸前試樣截面積；S為拉伸后試樣截面積；δ為斷后伸長率；L0為拉伸前標(biāo)距長度；L為拉伸后標(biāo)距長度。

表2 X80管線鋼在不同條件下的拉伸性能Tab. 2 Tension properties of X80 pipeline steel under different test conditions %

根據(jù)式(4)計算X80管線鋼的氫脆敏感性系數(shù)。

(3)

式中：FH為氫脆敏感系數(shù)；ψ為材料在介質(zhì)中拉伸時的斷面收縮率；ψ0為材料在空氣中拉伸時的斷面收縮率。

氫脆敏感系數(shù)可以作為氫脆敏感性的判據(jù)[12-13]，根據(jù)計算結(jié)果劃分氫脆區(qū)間，結(jié)果如圖8所示。FH>35%，為脆斷區(qū)，材料在該條件下肯定會發(fā)生氫脆；25%≤FH≤35%，材料在該條件下有氫脆潛在危險；FH<25%，為安全區(qū)，材料在該條件下不會發(fā)生氫脆。

圖8 含水量50%土壤中不同干擾條件下X80管線鋼的氫脆敏感性Fig. 8 Hydrogen embrittlement sensitivity of X80 pipeline steel under different interference conditions in soil with water content of 50%

結(jié)合表2和圖8可知：在無干擾條件下，X80管線鋼的氫脆敏感性很低，其斷面收縮率和斷后伸長率與在空氣中的基本一致；隨著干擾時間的延長，X80管線鋼的氫脆敏感性增加。這與氫含量的測試結(jié)果一致，同樣的干擾電流條件下，干擾時間延長，進入X80管線鋼內(nèi)部的氫含量增加，在應(yīng)力作用下，進入材料中的氫向應(yīng)力集中區(qū)域富集，導(dǎo)致斷面收縮率和斷后伸長率降低[14]。因此，隨干擾時間的延長，X80管線鋼的氫脆敏感性增加。間隔干擾條件下，干擾總時間達4 h后，X80管線鋼的氫脆敏感性系數(shù)接近25%。根據(jù)不同干擾參數(shù)下的氫含量變化規(guī)律，高于此干擾時間或干擾電流密度時，X80管線鋼進入風(fēng)險區(qū)，材料有發(fā)生氫脆的風(fēng)險。

3 結(jié)論

(1) 在含水量50%廣州土壤環(huán)境中干擾-陰保間隔條件下，進入X80管線鋼內(nèi)部的氫會在干擾的間隔時間內(nèi)逸散，但間隔時間超過24 h后，材料內(nèi)部的氫含量基本穩(wěn)定。

(2) 隨干擾頻次的增加，進入X80管線鋼內(nèi)部的氫含量增加；氫含量的變化主要以可擴散氫為主。

(3) 在含水量50%廣州土壤環(huán)境中，隨著干擾總時間的延長，X80鋼的斷面收縮率和斷后伸長率降低，材料的氫脆敏感性增加。