X80管線鋼焊接接頭的硫化氫應力腐蝕試驗

我國大多數油田的石油天然氣含硫量較高，很多管道事故的發生都與硫化氫有關。關于硫化氫的應力腐蝕破裂問題國內外學者已經進行了研究，隨著管線鋼的強度增加，其應力腐蝕敏感性增大。硬度與強度密切相關，早期的研究發現，硫化氫應力腐蝕敏感性與鋼材的硬度有關，硬度愈高，敏感性愈大，所以NACE MR0175推薦在酸性介質中，管線鋼的硬度極限為HV248或HRC22。

X80管線鋼是目前國內使用的最高級別的管線鋼，但關于其硫化氫應力腐蝕的研究尚未見報道。本文介紹了采用X80管線鋼焊接接頭制作楔形張開加載(WOL)試樣，在硫化氫介質中進行恒位移應力腐蝕試驗,分別測得母材、焊縫和熱影響區的臨界應力強度因子Kiscc和裂紋擴展速率da/dt，并分析了化學成分、接頭組織以及硬度對應力腐蝕的影響，為X80管線鋼的應用提供依據。

硫化氫應力腐蝕試驗

1、X80鋼的化學成分和力學性能

試驗所用材料為寶鋼生產的X80管線鋼，其化學成分見表1，力學性能見表2。焊接接頭取自埋弧焊直縫焊管。

2、試驗介質與試樣尺寸

根據GB12445.3-90《高強度合金楔形張開加載(WOL)預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法》Y 7]試驗規范試驗溶液采用國際標準NACETM- 01- 77試驗溶液，它由0.5%醋酸及5%氯化鈉的飽和硫化氫水溶液組成,試驗在常溫常壓下進行。

試樣的尺寸要求：(1)滿足平面應變條件,厚度尺寸要求B 2 5(&)};(2)為滿足線彈性條件,面內尺寸要求a和(w- a) 2.5(。關于面內尺寸，條件( 2)是限制裂紋尖端塑性區的大小，是線彈性的基本要求否則，裂紋尖端塑性區會相對過大，即發生“超載”現象，從而導致測得的Kscc值較真正的值偏高。試驗初定K1= 50 MPa Jm試樣尺寸如圖1所示。

3、試驗過程

取母材、焊縫、熱影響區分別加工成5個平行WOL試樣，母材取自垂直軋制方向,試樣尺寸見圖1。分別測量加工好的試樣的每個參數尺寸以及疲勞裂紋長度，精確到0.01mm。

首先確定欲加初始應力強度50 MPaJm值然后根據式2)計算試樣的張開位移,進行加載,將加載后的試樣放在盛有試驗溶液的容器中,缺口端朝上，溶液水平面高于預制疲勞裂紋而低于加載螺釘,通入幾小時H2S氣體,使其飽和，以后每天再通大約1h的H2S,使其不斷保持飽和狀態。溶液pH值保持在3.5~ 3.7以下1最大不超過4)。每天間隔-定時間取出，用王具顯微鏡觀察裂紋擴展情況并記錄裂紋長度。

試驗過程中，螺釘加載處的初始張開位移保持不變。當裂紋擴展時，裂紋長度a增大，應力強度因子Kr增大;但隨著裂紋擴展螺栓力松弛載荷P下降使Kr"下降。對于恒位移試件, P下降對K1的影響大于a增大對K1的影響。故隨著裂紋擴展，裂紋前端的K1不斷下降,當達到試驗的截止條件且相鄰K值相差很小，或者裂紋擴展速率da/dt小于或等于10~9 m/s時為止，此時的K值即為Krscc值。

經過一個月左右時間的腐蝕和觀察測量,裂紋擴展滿足試驗停止條件，停止試驗,發現母材和熱影響區分別有一個試塊未裂,其他試樣根據裂紋擴展長度計算裂紋擴展速率da/dt與應力強度因子Kscc,取平均值作為該試驗的臨界應力強度因子KIscc。

硫化氫應力腐蝕試驗結果

根據測定的a、l值用最小二乘法求得da/dt，然后將測得的相應裂紋長度a帶入式(1)求出K,便可得到一-條da/dt-K1曲線。三個區域的裂紋擴展速率da/dt與應力強度因子K1的關系曲線如圖2所示。

試驗中，用應力腐蝕臨界應力強度因子Kscc來表征材料抗H2S應力腐蝕性能,并且用da/dt來動態地表征裂紋的擴展變化規律。