特高压直流放电负向干扰条件下X80管线钢的氢脆敏感性

李 锴1,顾清林1,姜永涛1,曹国飞1,毛 建1,修林冉1,邢云颖,王修云,吕 超1,王 晶

(1. 中石油管道有限公司 西气东输分公司,上海 200122； 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京 100083)

随着能源需求的日益增加，油气管道和高压直流输电工程高速发展[1]。目前，我国已建立横跨东西、纵贯南北的油气管道网络，未来油气管网将会更加密集，且新建管道多采用高钢级大口径管线。高压直流输电因其技术上的优点成为远距离、跨区域电能输送的重要手段，近年多条高压、特高压直流输电工程相继投运或进入规划设计阶段[2-3]。受到选址原则及现场条件的影响，输电系统与油气管道网络系统不可避免地存在多处共用公共走廊或者交叉并行的情况。

我国高压直流输电工程一般采用双极平衡运行方式，接地极入地电流基本为零，然而在设备故障或者自然灾害条件下，单极闭锁，接地极将释放数千安培的入地电流，在土壤中形成大范围的直流电压场，对油气管道产生干扰。接地极阴极或阳极放电时，管道上靠近或远离接地极一侧会出现电位大幅负向偏移，监测到管道上的干扰电压可达300 V以上[4-5]。高钢级管材具有较强的氢脆敏感性[6-8]，当管道电位较负时(较高负向电流)，管道存在较大的氢脆风险。研究表明，X80管线钢在-0.1～0.5 mA/cm2电流密度下即发生明显的脆断[6，8]，在-1.0～-1.07 V电位下会发生明显脆断[9-11]。特高压直流接地极放电时,流入管道中的干扰电流的电压远高于以上数值，负向干扰下金属表面会发生大规模析氢反应，氢脆风险急剧增加。但特高压直流放电一般为短时非连续放电，干扰间隔及干扰频次对氢脆敏感性的影响规律和影响程度尚不明确，国内鲜见相关研究报道。为避免管道因氢脆引发灾难性事故，保障管道的安全运行，开展特高压直流接地极放电时负向干扰对管道氢脆的影响具有重要的意义。

本工作选择大口径X80管线钢为研究对象，模拟现场特高压直流接地极放电干扰环境，通过氢含量及慢应变速率试验研究了干扰间隔和干扰频次对氢脆敏感性的影响规律。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料选用大口径X80管线钢，其化学成分(质量分数)为：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，Fe余量。按照GB/T 228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》测得其屈服强度和抗拉强度分别为605 MPa和669 MPa。从X80管线钢母材处取样，在试样表面分别沿平行和垂直于轧制方向进行打磨抛光，再经4%(体积分数)硝酸乙醇溶液侵蚀后观察其组织形貌。X80管线钢的组织晶粒度细小且分布均匀，以针状铁素体为主，轧制方向无明显带状组织，如图1所示。

试验用土壤取自广州地区，土壤为近中性土壤，pH为6.51，其离子含量如表1所示。测试时将现场取回的土壤烘干，加去离子水配制成含水量50%(质量分数)的土壤进行试验。

1.2 氢含量测试

在含水量50%的土壤环境中通过特高压直流接地极放电干扰-阴极保护模拟试验对X80管线钢进行充氢。试验采用三电极体系进行：阴极为X80管线钢试样，辅助阳极为MMO(mixed metal oxide)棒，参比电极为饱和甘汞电极。根据特高压直流接地极放电干扰现场检测情况，通过调节恒电流源的输出参数选择不同干扰电流密度，模拟特高压直流接地极放电产生的负向干扰(以下简称干扰)，通过恒电位仪施加阴极保护(以下简称阴保)，使阴保电位维持在-1.0 V(相对于饱和硫酸铜参比电极CES)。试验时通过控制干扰和阴保施加时间，研究不同干扰间隔和干扰频次对X80管线钢中氢含量的影响。为避免导线焊接和焊接点对充氢结果的影响，将试样加工成图2所示的特殊形状，试样左侧为充氢及测试区域，尺寸为15 mm×30 mm×3 mm，右侧为封样区，中间通过宽度为2 mm的短梁连接。充氢试验前，在试样右侧的封样区焊接导线，并用环氧树脂和PVC管进行封装。充氢试验后，立即剪断试样连接梁，将测试端放入液氮中保存。采用热脱附光谱仪(TDS)测试样中释氢曲线，然后对释氢曲线进行积分，获得氢含量。

(a) 平行于轧制方向

(b) 垂直于轧制方向图1 X80管线钢的显微组织Fig. 1 Microstructure of X80 pipeline steel: (a) parallel to rolling direction; (b) perpendicular to rolling direction

×10-5%

图2 氢含量测试试样Fig. 2 Sample for hydrogen content test

1.3 慢应变速率试验

参照ISO3183-2012《石油天然气工业管道运输系统用钢管》规定，沿垂直于钢板的轧制方向切取棒状试样。试验前试样表面用水砂纸逐级(至800号)打磨，打磨方向与拉伸方向一致，用蒸馏水和酒精清洗，冷风吹干。分别在空气和同时施加阴保和干扰的土壤环境中进行慢应变速率试验(SSRT)，拉伸速率为10-6s-1，试验温度为室温。其中，在土壤环境中进行试验时，试验前采用硅胶对试样进行封样，暴露中间1 cm2测试段，待硅胶固化后，将试样装入慢应变速率拉伸试验机配比的土壤介质盒中。介质盒中同时放入MMO阳极和参比电极，拉伸试样作为阴极，采用恒电位仪和恒电流源对拉伸过程中的试样施加干扰和阴保。通过拉伸曲线及试验前后的断口尺寸，分析X80钢的氢脆敏感性。

2 结果与讨论

2.1 X80管线钢中氢含量

实际环境中，特高压直流接地极单次放电时间较短，两次放电间通常有较长的时间间隔。为研究干扰间隔和干扰频次对X80管线钢中氢含量累积规律的影响，采用短时干扰及间隔干扰的方式对试样进行充氢。根据文献[9-10]研究结果，当阴保电位负于析氢电位时，即使在阴保作用下也会发生析氢反应，阴保电位越负，阴极析出的氢原子量越多。正常情况下，阴保电位范围为-1.2～-0.85 V(相对于CSE)，根据现场阴保情况，选取-1.0 V为干扰后的阴保电位。在含水量50%的土壤环境中，对X80管线钢以125 mA/cm2电流密度干扰1 h后，再以-1.0 V进行不同时间的阴保，测钢中氢含量变化情况。

从图3可以看出，不同阴保时间的释氢曲线均存在两个峰值，第一个峰值出现在100 ℃附近，第二个峰值出现在400 ℃附近，根据释氢曲线将测到的氢分为两部分，一部分为较低温度逸散出的可扩散氢，另一部分为达到较高温度后才能摆脱束缚散逸出来的陷阱氢。对释氢曲线进行积分，获得陷阱氢、可扩散氢和总氢，结果如图4所示。

图3 含水量50%土壤中阴保时间对干扰后X80管线钢释氢曲线的影响Fig. 3 Effect of cathodic protection time on hydrogen release curves of X80 pipeline steel after interference in soil with water content of 50%

图4 含水量50%土壤中阴保时间对干扰后X80管线钢中氢含量的影响Fig. 4 Eeffect of cathodic protection time on hydrogen content in X80 pipeline steel after interference in soil with water content of 50%

从图4中可以看出，不同阴保时间X80管线钢内部的陷阱氢含量变化不大，均略高于空白样中的陷阱氢含量；X80钢内部的可扩散氢含量随在阴保时间的延长而逐渐降低，其中，阴保时间在24 h以内时，可扩散氢含量变化较大，超过24 h后，可扩散氢含量基本稳定，其值高于空白样中的陷阱氢含量。这说明在特高压直流接地极放电干扰后的正常阴保过程中，X80钢内部的可扩散氢会向空气中逸散，但阴保时间超过24 h后，氢含量基本达到稳态，达到稳态后的氢含量高于无干扰状态下空白试样中的氢含量。

为了进一步明确干扰频次对X80管线钢中氢含量的影响，在含水量50%土壤环境中，对X80管线钢以 125 mA/cm2电流密度干扰1 h，然后以-1.0 V阴保24 h，如此干扰-阴保循环3次后，测氢含量，并与单次干扰1 h的氢含量测试结果进行对比，如图5和图6所示。从图中可以看出，随着干扰频次的增加，X80管线钢中可扩散氢含量明显增加，陷阱氢含量略有增加。这说明在非持续干扰的条件下，干扰总时长的延长也会使X80管线钢中的氢含量增加。

图5 含水量50%土壤中干扰频次对X80管线钢释氢曲线的影响Fig. 5 Effect of interference frequency on hydrogen release curves of X80 pipeline steel in soil with water content of 50%

图6 含水量50%土壤中不同干扰频次下X80管线钢中的氢含量Fig. 6 Hydrogen content in X80 pipeline steel at different interference frequencies in soil with water content of 50%

2.2 X80管线钢的氢脆敏感性

X80钢在含水量50%土壤中在4种干扰条件进行慢应变速率试验。4种干扰条件如下：-1.0 V正常阴保无干扰(以下称无干扰)；开始以10 mA/cm2干扰2 h后，再-1.0 V正常阴保(以下称开始干扰)；10 mA/cm2干扰2 h和-1.0 V阴保24 h交替加载(以下称间隔干扰)；以10 mA/cm2持续干扰(以下称持续干扰)。

不同干扰条件下X80钢的SSRT曲线如图7所示。从图7中可以看出，不同干扰条件下。X80管线钢的强度变化不大，但断后伸长率有明显差异。正常阴保无干扰条件下，X80管线钢的断后伸长率最高，具有较好的塑性；随着干扰时间的延长， X80管线钢的断后伸长率逐渐降低。

图7 不同干扰条件下X80管线钢的慢应变速率拉伸曲线Fig. 7 SSRT curves of X80 pipeline steel under different interference conditions in soil with water content of 50%

根据式(1)～(2)计算X80管线钢在不同条件下的断面收缩率和断后伸长率,计算结果如表2所示。结果表明：随干扰时间的延长，X80管线钢的断面收缩率和断后伸长率均发生下降。

(1)

(2)

式中：ψ为断面收缩率；S0为拉伸前试样截面积；S为拉伸后试样截面积；δ为断后伸长率；L0为拉伸前标距长度；L为拉伸后标距长度。

表2 X80管线钢在不同条件下的拉伸性能Tab. 2 Tension properties of X80 pipeline steel under different test conditions %

根据式(4)计算X80管线钢的氢脆敏感性系数。

(3)

式中：FH为氢脆敏感系数；ψ为材料在介质中拉伸时的断面收缩率；ψ0为材料在空气中拉伸时的断面收缩率。

氢脆敏感系数可以作为氢脆敏感性的判据[12-13]，根据计算结果划分氢脆区间，结果如图8所示。FH>35%，为脆断区，材料在该条件下肯定会发生氢脆；25%≤FH≤35%，材料在该条件下有氢脆潜在危险；FH<25%，为安全区，材料在该条件下不会发生氢脆。

图8 含水量50%土壤中不同干扰条件下X80管线钢的氢脆敏感性Fig. 8 Hydrogen embrittlement sensitivity of X80 pipeline steel under different interference conditions in soil with water content of 50%

结合表2和图8可知：在无干扰条件下，X80管线钢的氢脆敏感性很低，其断面收缩率和断后伸长率与在空气中的基本一致；随着干扰时间的延长，X80管线钢的氢脆敏感性增加。这与氢含量的测试结果一致，同样的干扰电流条件下，干扰时间延长，进入X80管线钢内部的氢含量增加，在应力作用下，进入材料中的氢向应力集中区域富集，导致断面收缩率和断后伸长率降低[14]。因此，随干扰时间的延长，X80管线钢的氢脆敏感性增加。间隔干扰条件下，干扰总时间达4 h后，X80管线钢的氢脆敏感性系数接近25%。根据不同干扰参数下的氢含量变化规律，高于此干扰时间或干扰电流密度时，X80管线钢进入风险区，材料有发生氢脆的风险。

3 结论

(1) 在含水量50%广州土壤环境中干扰-阴保间隔条件下，进入X80管线钢内部的氢会在干扰的间隔时间内逸散，但间隔时间超过24 h后，材料内部的氢含量基本稳定。

(2) 随干扰频次的增加，进入X80管线钢内部的氢含量增加；氢含量的变化主要以可扩散氢为主。

(3) 在含水量50%广州土壤环境中，随着干扰总时间的延长，X80钢的断面收缩率和断后伸长率降低，材料的氢脆敏感性增加。