深水油气装备材料应力腐蚀开裂敏感性研究*

余朋伟,张宁恩,惠海锋,周小明,田占川,尚 卓

(1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司,陕西 宝鸡 721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002)

材料腐蚀给国民经济造成很大的损失。就腐蚀的失效形式来看，危害最严重的是应力腐蚀开裂，约占腐蚀失效案例的40%。金属在拉应力和特定的化学环境协同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，就是应力腐蚀开裂。金属材料发生开裂前，并没有明显的塑性变形，是突然发生的开裂，因此应力腐蚀开裂很难预防，是一种危险程度很高的破坏形式。对于长期在海水中工作的海洋油气装备，腐蚀会导致油气泄漏，造成巨大的环境污染和经济损失。为降低腐蚀带来的安全隐患，就必须要对深水装备所用材料进行腐蚀研究，特别是应力腐蚀开裂试验研究，选取最优材料抑制应力腐蚀的发生[1-3]。

1 极化状态下的应力腐蚀试验

1.1 试验方法

油气装备在深海工作时，为了减缓其腐蚀，经常采取阴极保护。合理的阴极保护能提高装备抑制应力腐蚀的能力，但是对于有氢致开裂倾向的材料，阴极保护则可能增大应力腐蚀开裂敏感性，因此在极化状态下进行应力腐蚀试验研究就显得非常有必要。采用慢应变速率拉伸方法(SSRT)进行试验，即把试样放在特定的腐蚀环境中，连接到慢拉伸速率试验仪器上，让仪器保持着一个缓慢而又恒定的应变速率进行拉伸试验，直到试样被拉断为止，整个过程对应力-应变进行记录[4]。

在空气、海水和海水同时外加阴极保护三种条件下,分别对合金钢4130、低合金钢Q345D和双相不锈钢2205三种材料制作的拉伸试样进行慢应变速率拉伸试验。拉伸后用视频显微镜观察断口形貌，利用应力腐蚀开裂时间、断口形貌、抗拉强度、断面收缩率和断后伸长率等指标对三种材质的应力腐蚀开裂敏感性进行评估[5]。

1.2 试验步骤

试验装置为LETRY WDW-100KW拉伸仪、CS350电化学工作站和3R Anyty视频显微镜。慢应变速率拉伸试验按照GB/T 228.1—2010标准进行，空气中试验温度为室温，溶液中试验温度为3 ℃；试验材料为合金钢4130，低合金钢Q345D和双相不锈钢2205三种材质制作的拉伸样条，试样的尺寸见图1，拉伸速率取0.03 mm/min，试验在空气、海水及海水同时外加阴极极化三种条件下分别进行。在外加电流下进行慢应变速率拉伸时，以拉伸样条为工作电极，以饱和甘汞电极作参比电极,以铂电极为辅助电极。拉伸开始前先极化0.5 h，待极化电位稳定后开始拉伸，并在整个拉伸过程中保持阴极极化。各材料阴极极化电位采用原则：(1)通过前期电化学性能分析确定的最佳保护电位；(2)某深水油气装备前期研究确定的采油树材料与牺牲阳极连接后进行阴极保护时的保护电位。试样断裂后，用视频显微镜观察断口形貌，放大倍数为120倍[6-10]。

图1 慢应变速率拉伸样条尺寸

表1 三种采油树材料的阴极保护电位

2 结果与讨论

2.1 合金钢4130

拉伸试样在空气、海水、海水(-851 mV)、海水(-880 mV)等试验条件下合金钢4130试样的慢拉伸应力-应变曲线见图2。由图2可见四种试验条件下试样的应力变化趋势无明显差异。从图3断裂点的应变大小可知，在海水中外加阴极极化条件下，试样最先发生断裂，在空气中拉伸的试样最后断裂。

图2 4130试样慢拉伸应力-应变曲线

图3 4130拉伸断裂试样

合金钢4130试样在不同试验条件下的断口形貌见图4。由图4可见,四种条件下试样的断面均未观察到二次裂纹。试样在空气中拉伸，其断口有明显的颈缩现象，是典型塑性断裂断口特征，而海水中试样和海水中同时外加阴极极化条件下试样的断口均存在脆性断裂特征。

图4 4130试样拉伸断裂的断口形貌 120×

合金钢4130试样在不同试验条件下的慢应变速率拉伸试验结果见表2。由表2可知，相对于海水中未经阴极保护的试样，在海水中-851 mV阴极极化电位下试样的抗拉强度下降了0.66%，延伸率下降1.2%，断面收缩率下降9.9%；-880 mV阴极极化电位下试样的抗拉强度下降1.99%，延伸率下降3.2%，断面收缩率下降17.4%。说明阴极极化增大了海水中合金钢4130的应力腐蚀开裂敏感性。

表2 4130试样慢应变速率拉伸试验结果

2.2 低合金钢Q345D

低合金钢Q345D试样在空气、海水及海水中外加-870 mV、-880 mV阴极极化条件下作慢应变速率拉伸的应力-应变曲线见图5。

由图5可见,在弹性变形阶段4条曲线的变化趋势基本一致；在塑性变形阶段，在空气中拉伸曲线最高点应力最大，拉伸持续时间最长。海水中外加-880 mV阴极极化条件下曲线的最高点应力最小，率先发生断裂。

图5 Q345D试样应力应变曲线

低合金钢Q345D拉伸试样在不同条件下的拉伸断裂见图6，不同条件下的拉伸断裂试样的断口形貌见图7。由图7看出三种条件下试样的断口特征大致相同，在海水及海水中外加阴极极化条件下的试样断口有腐蚀产物覆盖，各试样断面上均未发现二次裂纹。

图6 拉伸断裂试样

图7 Q345D拉伸断裂的断口形貌 120×

低合金钢Q345D试样在不同试验条件下的慢应变速率拉伸试验结果见表3。由表3可知，海水中外加-870 mV阴极极化电位后，与海水中未进行阴极保护的试样相比，延伸率降低0.3%，断面收缩率减小0.8%，抗拉强度下降2.66%；-880 mV 阴极极化电位下试样的抗拉强度下降5.32%，延伸率减小0.3%，断面收缩率下降 1.4%。说明阴极极化一定程度上增大了海水中低合金钢Q345D试样的应力腐蚀开裂敏感性。

表3 Q345D试样慢应变速率拉伸试验结果

2.3 双相不锈钢2205

双相不锈钢2205试样在空气、海水及海水中外加-621 mV、-880 mV阴极极化条件下慢应变速率拉伸的应力-应变曲线见图8。试样在空气及海水中拉伸曲线变化趋势大致相同，而海水中外加-621 mV阴极极化条件下，曲线的最高点应力最小，拉伸的持续时间最长。

图8 2205试样应力-应变曲线

双相不锈钢2205拉伸试样在空气、海水、海水(-621 mV)、海水(-880 mV)不同条件下的拉伸断裂试样见图9，上述试验条件下双相不锈钢2205试样的断口形貌见图10。在不同的试验条件下，试样的断口特征差别不大，均出现颈缩现象，断面上无二次裂纹产生，为塑性断裂断口。

图9 拉伸断裂试样

图10 2205拉伸断裂后的断口形貌 120×

双相不锈钢2205试样在不同试验条件的慢应变速率拉伸试验结果见表4，相较于海水中无阴极极化条件下，-621 mV的阴极极化电位下的试样除抗拉强度有所降低(0.6%)外，延伸率增大1.3%，断面收缩率增加0.2%。在-880 mV阴极极化电位下，延伸率减小4.7%，断面收缩率降低19.9%，而抗拉强度仅降低0.15%。说明 -621 mV 阴极极化一定程度上降低了双相不锈钢2205在海水中的应力腐蚀开裂敏感性，而-880 mV阴极极化则增大其应力腐蚀开裂敏感性。

表4 2205试样慢应变速率拉伸试验结果

3 结 论

通过对水下油气装备材料慢应变速率拉伸试验所得应力腐蚀开裂时间、抗拉强度、断面收缩率和断后伸长率等指标分析认为：

(1)在海水环境中，对合金钢4130，低合金钢Q345D，双相不锈钢2205三种材质试样施加阴极保护电位显示出不同的效果，最佳(或最小)阴极保护电位下，阴极极化一定程度上使合金钢4130，低合金钢Q345D的应力腐蚀开裂敏感性升高，使双相不锈钢2205的应力腐蚀敏感性降低。

(2)在Al-Zn-In-Sn阳极提供的保护电位(-880 mV)下，合金钢4130，低合金钢Q345D和双相不锈钢2205的应力腐蚀开裂敏感性均略微升高。

(3)对各拉伸试样断面进行显微形貌观察发现，阴极极化并未导致试样产生二次裂纹，说明该三种材料在阴极极化导致的性能下降尚在可接受范围内。

(4)在进行深水油气装备材料选择时，不仅应考虑综合产品结构、使用寿命及环境等因素，还应充分考虑材料应力腐蚀开裂敏感性和腐蚀机理，以保证产品寿命周期内的可靠性。