深水油氣裝備材料應力腐蝕開裂敏感性研究*

余朋偉,張寧恩,惠海鋒,周小明,田占川,尚 卓

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司,陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)

材料腐蝕給國民經濟造成很大的損失。就腐蝕的失效形式來看，危害最嚴重的是應力腐蝕開裂，約占腐蝕失效案例的40%。金屬在拉應力和特定的化學環境協同作用下，經過一段時間后所產生的低應力脆斷現象，就是應力腐蝕開裂。金屬材料發生開裂前，并沒有明顯的塑性變形，是突然發生的開裂，因此應力腐蝕開裂很難預防，是一種危險程度很高的破壞形式。對于長期在海水中工作的海洋油氣裝備，腐蝕會導致油氣泄漏，造成巨大的環境污染和經濟損失。為降低腐蝕帶來的安全隱患，就必須要對深水裝備所用材料進行腐蝕研究，特別是應力腐蝕開裂試驗研究，選取最優材料抑制應力腐蝕的發生[1-3]。

1 極化狀態下的應力腐蝕試驗

1.1 試驗方法

油氣裝備在深海工作時，為了減緩其腐蝕，經常采取陰極保護。合理的陰極保護能提高裝備抑制應力腐蝕的能力，但是對于有氫致開裂傾向的材料，陰極保護則可能增大應力腐蝕開裂敏感性，因此在極化狀態下進行應力腐蝕試驗研究就顯得非常有必要。采用慢應變速率拉伸方法(SSRT)進行試驗，即把試樣放在特定的腐蝕環境中，連接到慢拉伸速率試驗儀器上，讓儀器保持著一個緩慢而又恒定的應變速率進行拉伸試驗，直到試樣被拉斷為止，整個過程對應力-應變進行記錄[4]。

在空氣、海水和海水同時外加陰極保護三種條件下,分別對合金鋼4130、低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205三種材料制作的拉伸試樣進行慢應變速率拉伸試驗。拉伸后用視頻顯微鏡觀察斷口形貌，利用應力腐蝕開裂時間、斷口形貌、抗拉強度、斷面收縮率和斷后伸長率等指標對三種材質的應力腐蝕開裂敏感性進行評估[5]。

1.2 試驗步驟

試驗裝置為LETRY WDW-100KW拉伸儀、CS350電化學工作站和3R Anyty視頻顯微鏡。慢應變速率拉伸試驗按照GB/T 228.1—2010標準進行，空氣中試驗溫度為室溫，溶液中試驗溫度為3 ℃；試驗材料為合金鋼4130，低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205三種材質制作的拉伸樣條，試樣的尺寸見圖1，拉伸速率取0.03 mm/min，試驗在空氣、海水及海水同時外加陰極極化三種條件下分別進行。在外加電流下進行慢應變速率拉伸時，以拉伸樣條為工作電極，以飽和甘汞電極作參比電極,以鉑電極為輔助電極。拉伸開始前先極化0.5 h，待極化電位穩定后開始拉伸，并在整個拉伸過程中保持陰極極化。各材料陰極極化電位采用原則：(1)通過前期電化學性能分析確定的最佳保護電位；(2)某深水油氣裝備前期研究確定的采油樹材料與犧牲陽極連接后進行陰極保護時的保護電位。試樣斷裂后，用視頻顯微鏡觀察斷口形貌，放大倍數為120倍[6-10]。

圖1 慢應變速率拉伸樣條尺寸

表1 三種采油樹材料的陰極保護電位

2 結果與討論

2.1 合金鋼4130

拉伸試樣在空氣、海水、海水(-851 mV)、海水(-880 mV)等試驗條件下合金鋼4130試樣的慢拉伸應力-應變曲線見圖2。由圖2可見四種試驗條件下試樣的應力變化趨勢無明顯差異。從圖3斷裂點的應變大小可知，在海水中外加陰極極化條件下，試樣最先發生斷裂，在空氣中拉伸的試樣最后斷裂。

圖2 4130試樣慢拉伸應力-應變曲線

圖3 4130拉伸斷裂試樣

合金鋼4130試樣在不同試驗條件下的斷口形貌見圖4。由圖4可見,四種條件下試樣的斷面均未觀察到二次裂紋。試樣在空氣中拉伸，其斷口有明顯的頸縮現象，是典型塑性斷裂斷口特征，而海水中試樣和海水中同時外加陰極極化條件下試樣的斷口均存在脆性斷裂特征。

圖4 4130試樣拉伸斷裂的斷口形貌 120×

合金鋼4130試樣在不同試驗條件下的慢應變速率拉伸試驗結果見表2。由表2可知，相對于海水中未經陰極保護的試樣，在海水中-851 mV陰極極化電位下試樣的抗拉強度下降了0.66%，延伸率下降1.2%，斷面收縮率下降9.9%；-880 mV陰極極化電位下試樣的抗拉強度下降1.99%，延伸率下降3.2%，斷面收縮率下降17.4%。說明陰極極化增大了海水中合金鋼4130的應力腐蝕開裂敏感性。

表2 4130試樣慢應變速率拉伸試驗結果

2.2 低合金鋼Q345D

低合金鋼Q345D試樣在空氣、海水及海水中外加-870 mV、-880 mV陰極極化條件下作慢應變速率拉伸的應力-應變曲線見圖5。

由圖5可見,在彈性變形階段4條曲線的變化趨勢基本一致；在塑性變形階段，在空氣中拉伸曲線最高點應力最大，拉伸持續時間最長。海水中外加-880 mV陰極極化條件下曲線的最高點應力最小，率先發生斷裂。

圖5 Q345D試樣應力應變曲線

低合金鋼Q345D拉伸試樣在不同條件下的拉伸斷裂見圖6，不同條件下的拉伸斷裂試樣的斷口形貌見圖7。由圖7看出三種條件下試樣的斷口特征大致相同，在海水及海水中外加陰極極化條件下的試樣斷口有腐蝕產物覆蓋，各試樣斷面上均未發現二次裂紋。

圖6 拉伸斷裂試樣

圖7 Q345D拉伸斷裂的斷口形貌 120×

低合金鋼Q345D試樣在不同試驗條件下的慢應變速率拉伸試驗結果見表3。由表3可知，海水中外加-870 mV陰極極化電位后，與海水中未進行陰極保護的試樣相比，延伸率降低0.3%，斷面收縮率減小0.8%，抗拉強度下降2.66%；-880 mV 陰極極化電位下試樣的抗拉強度下降5.32%，延伸率減小0.3%，斷面收縮率下降 1.4%。說明陰極極化一定程度上增大了海水中低合金鋼Q345D試樣的應力腐蝕開裂敏感性。

表3 Q345D試樣慢應變速率拉伸試驗結果

2.3 雙相不銹鋼2205

雙相不銹鋼2205試樣在空氣、海水及海水中外加-621 mV、-880 mV陰極極化條件下慢應變速率拉伸的應力-應變曲線見圖8。試樣在空氣及海水中拉伸曲線變化趨勢大致相同，而海水中外加-621 mV陰極極化條件下，曲線的最高點應力最小，拉伸的持續時間最長。

圖8 2205試樣應力-應變曲線

雙相不銹鋼2205拉伸試樣在空氣、海水、海水(-621 mV)、海水(-880 mV)不同條件下的拉伸斷裂試樣見圖9，上述試驗條件下雙相不銹鋼2205試樣的斷口形貌見圖10。在不同的試驗條件下，試樣的斷口特征差別不大，均出現頸縮現象，斷面上無二次裂紋產生，為塑性斷裂斷口。

圖9 拉伸斷裂試樣

圖10 2205拉伸斷裂后的斷口形貌 120×

雙相不銹鋼2205試樣在不同試驗條件的慢應變速率拉伸試驗結果見表4，相較于海水中無陰極極化條件下，-621 mV的陰極極化電位下的試樣除抗拉強度有所降低(0.6%)外，延伸率增大1.3%，斷面收縮率增加0.2%。在-880 mV陰極極化電位下，延伸率減小4.7%，斷面收縮率降低19.9%，而抗拉強度僅降低0.15%。說明 -621 mV 陰極極化一定程度上降低了雙相不銹鋼2205在海水中的應力腐蝕開裂敏感性，而-880 mV陰極極化則增大其應力腐蝕開裂敏感性。

表4 2205試樣慢應變速率拉伸試驗結果

3 結 論

通過對水下油氣裝備材料慢應變速率拉伸試驗所得應力腐蝕開裂時間、抗拉強度、斷面收縮率和斷后伸長率等指標分析認為：

(1)在海水環境中，對合金鋼4130，低合金鋼Q345D，雙相不銹鋼2205三種材質試樣施加陰極保護電位顯示出不同的效果，最佳(或最小)陰極保護電位下，陰極極化一定程度上使合金鋼4130，低合金鋼Q345D的應力腐蝕開裂敏感性升高，使雙相不銹鋼2205的應力腐蝕敏感性降低。

(2)在Al-Zn-In-Sn陽極提供的保護電位(-880 mV)下，合金鋼4130，低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205的應力腐蝕開裂敏感性均略微升高。

(3)對各拉伸試樣斷面進行顯微形貌觀察發現，陰極極化并未導致試樣產生二次裂紋，說明該三種材料在陰極極化導致的性能下降尚在可接受范圍內。

(4)在進行深水油氣裝備材料選擇時，不僅應考慮綜合產品結構、使用壽命及環境等因素，還應充分考慮材料應力腐蝕開裂敏感性和腐蝕機理，以保證產品壽命周期內的可靠性。