充氫管道的應(yīng)力-力學(xué)性能和抗氫脆性能

充氫管道的應(yīng)力-力學(xué)性能和抗氫脆性能

管道在服役過程中受到自然腐蝕介質(zhì)和人工蔭蔽等因素的影響，導(dǎo)致氫脆。目前，有關(guān)氫脆對金屬材料力學(xué)性能影響的研究多是針對不含裂紋拉伸試樣的相較于單邊缺口拉伸（SENT）試樣，緊湊拉伸（CT）試樣和三點(diǎn)缺口彎曲（SENB）試樣裂紋尖端的拘束度較高，不能真實(shí)反映實(shí)際服役含裂紋管道裂紋尖端的應(yīng)力拘束度，且SENT試樣的裂紋尖端應(yīng)力場與含裂紋全尺寸管道的裂紋尖端應(yīng)力場高度相似1測試1.1拉伸和屈服強(qiáng)度從中國石油天然氣管道局提供的一段APIX80管道上沿管徑向制取試樣，管道外徑為1016mm，壁厚為31mm，其化學(xué)成分見表1。拉伸試驗(yàn)測得試樣的平均屈服強(qiáng)度（R制備4組（每組3個(gè)）尺寸完全相同的試樣，形狀和尺寸如圖1和表2所示。試樣帶有2mm深度的機(jī)械加工缺口，然后依據(jù)ASTME1820-2013標(biāo)準(zhǔn)，在室溫下預(yù)制2mm長疲勞裂紋。其中2組試樣用于拉伸試驗(yàn)，記作SENT試樣，2組試樣用于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，記作SEMB試樣。分別取1組SENT試樣和SENB試樣進(jìn)行充氫。1.2斷裂韌性試驗(yàn)通過電化學(xué)方法在室溫下對試樣進(jìn)行陰極充氫，使用龍威LW-3050KD型直流電源供電，電源正極接15mm×15mm鉑網(wǎng)，負(fù)極接試樣。所用電解液為0.5mol/LH使用MTSE64伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，按照NACETMO284-2016標(biāo)準(zhǔn)在室溫下對充氫試樣和母材試樣進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)，其中SENT試樣為拉伸加載，SENB試樣為彎曲加載。采用位移控制加載方式，加載速率為0.01mm/s。使用圖2所示的雙引伸計(jì)法測量試樣的裂紋嘴張開位移D式中：D為防止氫逸散，在氫脆試驗(yàn)開始前，將充氫后的試樣置于液氮中保存。試驗(yàn)結(jié)束后，使用掃描電鏡對充氫試樣和母材試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察。2結(jié)果與討論2.1電、電氫充注為確定電化學(xué)充氫的時(shí)間，在10mA/cm2.2氫對承載力的影響由圖4可見：充氫SENT試樣的最大載荷值為39kN，顯著低于母材SENT試樣的（48kN）；充氫SENB試樣和母材SENB試樣的最大載荷值差距不大，分別為22kN和23kN。對于主要承受拉伸載荷的SENT試樣，氫的存在會顯著惡化其承載能力；對于以彎曲加載為主的SENB試樣，氫的存在基本不影響其承載力。此外，充氫SENT試樣和母材SENT試樣的裂紋嘴張開位移分別為0.495mm和1.178mm；充氫SENB試樣和母材SENB試樣的裂紋嘴張開位移分別為0.241mm和0.782mm。無論SENT試樣還是SENB試樣，母材試樣都在屈服后經(jīng)歷了較大的裂紋嘴張開位移，充氫試樣的D表3所示為充氫SENT試樣和母材SENT試樣對應(yīng)于最大載荷位置處的斷裂韌性，充氫試樣和母材試樣的D2.3裂紋擴(kuò)展路徑為探究試樣加載過程中氫對裂紋擴(kuò)展的影響，使用CCD攝像機(jī)拍攝對應(yīng)于最大載荷位置處，充氫SENT試樣和母材SENT試樣的裂紋尖端張開情況。由圖5可見：母材試樣的裂紋發(fā)生了明顯的鈍化和塑性變形，且塑性變形區(qū)域較大；而充氫試樣的裂紋則比較尖銳，其塑性變形主要集中于裂紋尖端的局部區(qū)域。由圖6可見：裂紋擴(kuò)展路徑（選取位置為試樣的中厚度面）可大致分為機(jī)加工缺口區(qū)、疲勞預(yù)制裂紋區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，其中裂紋擴(kuò)展區(qū)又可分為起裂、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段。在母材試樣預(yù)制疲勞裂紋的前端，可以觀察到明顯的韌性鈍化，裂紋呈穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展；而充氫試樣則表現(xiàn)為失穩(wěn)裂紋擴(kuò)展，裂紋持續(xù)以很小的裂紋張開角擴(kuò)展，裂紋尖端保持尖銳，不發(fā)生鈍化。這是因?yàn)樵趹?yīng)力的作用下，氫原子大量富集在裂紋尖端區(qū)域，降低裂紋起裂和擴(kuò)展所需的應(yīng)力和能量，惡化裂紋尖端附近的塑性，進(jìn)而導(dǎo)致較低的斷裂韌性，如圖7所示。2.4斷口表面裂紋擴(kuò)展特性由圖8可見：充氫試樣與母材試樣的斷口形貌具有明顯差別，母材試樣的斷口呈典型韌窩斷裂特征，充氫試樣的斷口則呈淺韌窩和脆性斷裂特征，其斷口表面的韌窩及孔洞表明裂紋擴(kuò)展是包含脆性斷裂和塑性撕裂的混合斷裂機(jī)制。在充氫試樣的混合斷裂機(jī)制中，塑性撕裂部分吸收了絕大部分?jǐn)嗔涯?，然而此過程所能吸收的斷裂能要比純韌性斷裂過程低很多。氫的存在降低了裂紋尖端塑性變形所需要的能量，促進(jìn)韌性撕裂過程向脆性斷裂轉(zhuǎn)化，這種斷裂機(jī)制的改變造成了母材與充氫試樣斷裂韌性的巨大差異。3氫對管線承載能力的影響(1）氫的存在會顯著惡化SENT試樣的載荷承載能力，而使用傳統(tǒng)SENB試樣無法反映氫對承載能力的影響。鑒于SENT試樣與實(shí)際服役管道的受力狀態(tài)更為接近，有必要在管線設(shè)計(jì)中考慮氫對管線承載能力的影響。(2）充氫SENT試樣和母材SENT試樣的斷裂韌性平均值分別為0.109mm和0.568mm，氫的存在顯著惡化了X80管線鋼的斷裂韌性。此外，充氫SENB試樣的斷裂韌性顯著低于充氫SENT試樣的，在管線設(shè)計(jì)過程中，使用SENB試樣測定的斷裂韌性值會引入