T-CSCP 0002-2024 管線鋼應力腐蝕開裂敏感性電化學快速評價方法

中國腐蝕與防護學會發(fā)布ElectrochemicalmethodforfastevaluationofSCCsusceptibilit2024年2月26日發(fā)布2024年2月26日T/CSCP0002--2024本標準按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。本標準由河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院、北京科技大學、中國特種設備檢測研究院和北京安泰信科技有限公司共同提出。本標準由中國腐蝕與防護學會標準化技術委員會歸口。本標準負責起草單位：河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院、北京科技大學、中國特種設備檢測研究院和北京安泰信科技有限公司。本標準主要起草人：劉智勇，李曉剛，代文賀，王立賢，李寧寧，趙博，孫占遠，潘悅，孫寶壯，肖陽，劉超，王昱，王同軍。1T/CSCP0002--2024管線鋼應力腐蝕開裂敏感性的電化學快速評價方法本文件規(guī)定了管線鋼應力腐蝕開裂敏感性的電化學快速評價方法的術語和定義、原理、評價方法、應力腐蝕開裂敏感性電化學評價參數(shù)和應力腐蝕開裂敏感性指數(shù)計算方法等。本文件根據(jù)待評價材料或結構件的快慢掃電化學測試結果，獲取相關評價參數(shù)，計算得到應力腐蝕開裂敏感性指數(shù)，從而實現(xiàn)快速地對材料或結構件的應力腐蝕開裂敏感性進行評價。本文件適用于現(xiàn)場及實驗室應力腐蝕開裂敏感性的快速評價，適用于海洋、土壤、大氣薄液膜等水相介質(zhì)環(huán)境中服役管線材料的應力腐蝕開裂敏感性評價。本文件適用的管線材質(zhì)包括碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T10123金屬和合金的腐蝕基本術語及定義；GB/T15970.7金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第7部分：慢應變速率試驗；GB/T24196金屬和合金的腐蝕電化學試驗方法恒電位和動電位極化測量導則。3術語和定義GB/T10123、GB/T15970.7界定的以及下列術語和定義適用于本文件：金屬在拉應力和特定腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下引起的開裂現(xiàn)象。金屬在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生SCC的敏感程度。電極電位以預先設定的速度連續(xù)地變化，所測得的電極電位與電流密度關系的曲線。動電位極化曲線測試過程中電位的變化速率。f）在控電位掃描速率大于50mV/s時特定電位下的極化電流密度。2T/CSCP0002--2024在控電位掃描速率不大于0.5mV/s時特定電位下的極化電流密度。評價金屬應力腐蝕開裂敏感性的試驗，通常在代表性的環(huán)境中以恒定位移速率拉伸試樣至斷裂，然后評價其斷裂敏感性指數(shù)。本文件中應變速率≤10-6s-1。SCC是應力作用下及金屬在介質(zhì)中發(fā)生電化學反應溶解所造成的結果。SCC過程完全由陰極析氫造成的材料脆化現(xiàn)象。SCC是由陽極溶解和氫脆共同作用導致。本文件中參比電極選用飽和甘汞電極(SCE)。4原理4.1不同電極電位條件下的快掃電流密度if和慢掃電流密度is的差異可以用來評價SCC敏感性?？鞉邥r，試樣表面為新鮮金屬表面，反映了SCC裂紋尖端的電化學特性。而慢掃曲線處于準穩(wěn)態(tài)，電極表面能充分極化，反映了非SCC裂尖等充分極化金屬表面的電化學特性。4.2根據(jù)快慢掃曲線的相對差異，可將SCC機制分為如下的區(qū)間：4.2.1如果is＞if＞0，SCC不擴展。4.2.2如果if＞is＞0，裂尖新鮮金屬表面的腐蝕速率大于非裂尖區(qū)域，陽極溶解機制（AD）導致SCC裂紋擴展，其SCC敏感性可定量描述為：式中，ISCC為SCC敏感性ka是與電流密度、介質(zhì)以及材料有關的常數(shù)，I0為if＝is時的名義SCC敏感性。if項表征裂紋生長的速度，if越大，裂尖生長越快。項表征裂尖和非裂尖區(qū)域腐蝕速率的差別，其值越大，裂尖和非裂尖區(qū)的腐蝕速率差別越大，SCC擴展越快。4.2.3在混合電位控制條件下，if＞0，is＜0，慢掃電流轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O電流（is＜0快掃電流仍處于陽極區(qū)（if＞0故裂紋尖端為陽極溶解作用，非裂尖區(qū)域為陰極析氫過程，因此SCC由AD和HE共同作用。假設該機制下SCC敏感性遵循疊加模型，是AD作用和HE作用的線性疊加，其SCC敏感性表達式可以寫Iscc=k?e·is+kad·if??1+Iac.................................................（2）3T/CSCP0002--20244.2.5上述三個公式寫成一個為：Iscc=k?e·ad、kc是與電流密度、介質(zhì)以及材料有關的常數(shù)。is、if分別為慢掃電流密度和快掃電流-600-900-1200-1500 e慢掃ADAD-3-2-10log(i,mA.cm-2)圖1快慢掃極化曲線示意圖4.3基于上述理論，在確定體系下，只要通過測試獲得材料相關的各個系數(shù)（ka、khe、kad、kc、I0、Iac和Ic就可以根據(jù)動電位極化曲線測試（測定is、if）來確定任意電位下的應力腐蝕開裂敏感性ISCC。誤差可通過慢應變速率拉伸法（SSRT）進行驗證。系數(shù)的值可由不同SCC機制下的SCC敏感性計算公式和相應的SCC敏感性測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得出，如附錄A所示。5動電位極化曲線測試5.1試樣制備5.1.1測試的工作電極可以是切取待測工件的樣品，或結構件的待測區(qū)域。根據(jù)具體應用要求制備試樣。為了限制研磨溝槽引起的增強反應，表面的粗糙度應小于1μm。5.1.2試樣制備應避免縫隙，不能有尖銳邊緣。加工和研磨過程應避免試樣過熱。4T/CSCP0002--20245.1.3試樣在使用前應進行清洗和脫脂。5.2試驗環(huán)境與介質(zhì)試驗介質(zhì)用分析純藥品和去離子水配制而成。試驗環(huán)境應該代表實際使用條件或符合適當?shù)臉藴?。典型腐蝕環(huán)境模擬溶液建立方法見附錄B。5.3試驗裝置電化學試驗裝置由電化學工作站和電解池組成。5.3.1恒電位儀恒電位儀應具有將電極電位控制在預先設置值±1mV的范圍內(nèi)，其電位和電流范圍滿足動電位極化曲線測試要求。電壓范圍應從-2000mV～2000mV，電流范圍從1μA～1A。5.3.2電極電位測量儀器在測量過程中，為了盡量減少測量過程中的電流損耗，電極電位測試電路應具備1011Ω~1014Ω數(shù)量級的高輸入阻抗。儀器靈敏度和精度應能檢測出1mV以內(nèi)的電位變化。5.3.3電流測量儀器電流值通過測量已知電阻器兩端的電壓降求出。在電化學工作站中，電流測量由其內(nèi)部電路完成，但也可以將一個電阻器接在輔助電極和恒電位掃描儀之間實現(xiàn)外部測量。使用最大誤差值在0.5%范圍以內(nèi)的電流測量儀器。電解池包括工作電極，輔助電極和參比電極。輔助電極應放于合適位置，以保證試樣表面電流分布均勻。輔助電極表面積應不小于工作電極表面積。本文件中輔助電極采用高純鉑金電極，參比電極采用飽和甘汞電極。試驗電解池中溶液體積應足夠多，以至于可以忽略反應過程中溶液化學成分的變化，溶液體積與試樣表面積的比值應大于100mL/cm2。5.4試驗步驟5.4.1將試樣、輔助電極、參比電極置于電解池中，加入溶液。5.4.2將試樣浸入溶液后，記錄開路電位隨時間的變化。如果金屬表面在空氣中易形成氧化膜，導致所測開路電位與被測合金正常值偏差較大時，應對試樣預先進行陰極極化以去除表面氧化膜。5.4.3待開路電位達到穩(wěn)定值時（10min波動范圍在10mV以內(nèi)），開始動電位極化測試。極化曲線從某一陰極電位開始向陽極方向進行電位掃描，記錄電流隨電位的變化。電位掃描范圍和速率的確定取決于試驗體系。掃描范圍以完整體現(xiàn)出快慢掃極化曲線中SCC機制區(qū)間為原則，一般取-0.5V～+1.5V(相對于開路電位)。5.4.4對于掃描速率的選擇，快速掃描速率要比慢掃速度高100倍以上，慢掃速率為0.5mV/s。5.4.5實驗溫度宜根據(jù)實際待測體系的工作溫度確定。5T/CSCP0002--2024圖2SCC敏感性現(xiàn)場電化學快速評價試驗裝置示意圖6SCC敏感性快速評價及驗證在確定體系下，根據(jù)不同SCC機制下的敏感性計算，結合快慢掃電流所指示的SCC機制電位區(qū)間，可以通過插值法計算出該機制下任意電位下的ISCC。具體SCC敏感性快速評價過程見附錄C。7試驗報告試驗報告應該包括以下內(nèi)容：1)實驗材料的完整描述，包括試樣來源、成分、熱處理、產(chǎn)品類型、編號、尺寸、取樣位置、機加工工藝和表面狀況；2)溶液組成，pH，體積和溫度等；3)試樣接觸試驗溶液的面積；4)所用電解池和電極的描述；5)電位的掃描速度；6)極化測試前浸入溶液時間；7)開路電位，該電位是否穩(wěn)定及電位掃描范圍；8)繪制快掃和慢掃速率下的極化曲線，并在曲線上標明根據(jù)快慢掃電流劃分的電位區(qū)間范圍；9)應力腐蝕開裂敏感性實測值，以及用插值法計算得到的應力腐蝕開裂敏感性預測公式。測試裝置圖2所示：6T/CSCP0002--2024確定體系下材料各相關系數(shù)的確定方法A.1本附錄中確定的系數(shù)為公式（4A.2根據(jù)5.動電位極化曲線測試方法，對待測試樣進行電化學快慢掃測試。A.3根據(jù)4.原理對得到的電化學快慢掃曲線進行區(qū)間劃分。A.4選擇至少7個AD至HE區(qū)間電位進行SSRT試驗獲得ISCC,其中AD區(qū)間至少選擇2個電位，HE區(qū)間至少選擇2個，AD+HE區(qū)間至少選擇3個電位；A.5將不同電位區(qū)間的ISCC與對應電位下的is和if分別帶入到4.2.5公式（4）A.6下面以X70鋼在酸性土壤模擬液中的評價公式的系數(shù)確定過程進行舉例說明：A.6.1對待測材料進行電化學快慢掃測試，并繪制快慢掃曲線。如圖A.1所示。-300-600-900-1200-150050mV/s ●0.5mV/s50mV/s ●0.5mV/s●●AD-4-3-2-101圖A.1X70鋼在酸性土壤模擬液中的快慢掃極化曲線A.6.2根據(jù)快慢掃曲線進行區(qū)間劃分。圖A.1快、慢掃描曲線的相對差異可以分為4個電位區(qū)間。SCCA.6.3根據(jù)步驟A.4，在AD區(qū)間選擇-650mV、-700mmV；在HE區(qū)間選擇-1050mV、-1200mV。在上述電位下分別通過SSRT測量實際ISCC，如表A.1所示。表A.1實測ISCC與快慢掃電流if/mV0.211518.200.197123.24-7500.186133.64-8500.168851.4372.88-10500.11710.127437.23-12000.70130.7355A.6.4將實測ISCC與快慢掃電流值代入公式（4）對應的區(qū)間，以AD區(qū)間為例：7T/CSCP0002--2024計算得出ka=2.12×105;I0=?18.03。A.6.5同理計算得出AD、AD+HE和HE電位區(qū)間SCC敏感性與電流的關系，如公式（A.2）所示。1.ISCC僅適用于用斷面收縮率計算的SCC敏感性。因為斷面收縮率在SCC發(fā)生時能夠最敏感地反映SCC裂紋的擴展的影響。2.當is或if趨近于零電位電流時，需要用實際的陰極或陽極電流密度計算，而不能從極化曲線數(shù)據(jù)上直接讀取。3.在實際服役條件下，服役環(huán)境可能會受到溫度、濕度、輻照度、氯離子濃度、污染物等因素影響而發(fā)生變化，此時可能需要重新對SCC敏感性公式適用性進行評估，并做出修正。4.公式標定材料的狀態(tài)和實際快速評價材料狀態(tài)應保持一致。T/CSCP0002--2024典型服役環(huán)境模擬溶液建立方法材料典型服役環(huán)境模擬溶液成分列于表B.1。表B.1典型服役環(huán)境模擬溶液典型環(huán)境化學成分備注海洋環(huán)境Na2SO4+1.16g/LCaCl2+0.695g/LKCl+0.201g/LNaHCO3+0.101g/LKBr+0.見ASTMD1141-98(2013)熱帶海洋大氣環(huán)境工業(yè)大氣環(huán)境19746-2018近中性pH土壤環(huán)境0.483g/LNaHCO3+0.122g/LKCl+0.181g/LCaCl2·2H2O+0.131g/LMgSO4·7H2O典型酸性土壤環(huán)境Na2SO4+0.394g/LMgSO4·7H2O+0.586g/L參見鷹潭土壤模擬液成分T