充氢管道的应力-力学性能和抗氢脆性能

充氢管道的应力-力学性能和抗氢脆性能

管道在服役过程中受到自然腐蚀介质和人工荫蔽等因素的影响，导致氢脆。目前，有关氢脆对金属材料力学性能影响的研究多是针对不含裂纹拉伸试样的相较于单边缺口拉伸（SENT）试样，紧凑拉伸（CT）试样和三点缺口弯曲（SENB）试样裂纹尖端的拘束度较高，不能真实反映实际服役含裂纹管道裂纹尖端的应力拘束度，且SENT试样的裂纹尖端应力场与含裂纹全尺寸管道的裂纹尖端应力场高度相似1测试1.1拉伸和屈服强度从中国石油天然气管道局提供的一段APIX80管道上沿管径向制取试样，管道外径为1016mm，壁厚为31mm，其化学成分见表1。拉伸试验测得试样的平均屈服强度（R制备4组（每组3个）尺寸完全相同的试样，形状和尺寸如图1和表2所示。试样带有2mm深度的机械加工缺口，然后依据ASTME1820-2013标准，在室温下预制2mm长疲劳裂纹。其中2组试样用于拉伸试验，记作SENT试样，2组试样用于三点弯曲试验，记作SEMB试样。分别取1组SENT试样和SENB试样进行充氢。1.2断裂韧性试验通过电化学方法在室温下对试样进行阴极充氢，使用龙威LW-3050KD型直流电源供电，电源正极接15mm×15mm铂网，负极接试样。所用电解液为0.5mol/LH使用MTSE64伺服液压万能试验机，按照NACETMO284-2016标准在室温下对充氢试样和母材试样进行断裂韧性试验，其中SENT试样为拉伸加载，SENB试样为弯曲加载。采用位移控制加载方式，加载速率为0.01mm/s。使用图2所示的双引伸计法测量试样的裂纹嘴张开位移D式中：D为防止氢逸散，在氢脆试验开始前，将充氢后的试样置于液氮中保存。试验结束后，使用扫描电镜对充氢试样和母材试样的断口形貌进行观察。2结果与讨论2.1电、电氢充注为确定电化学充氢的时间，在10mA/cm2.2氢对承载力的影响由图4可见：充氢SENT试样的最大载荷值为39kN，显著低于母材SENT试样的（48kN）；充氢SENB试样和母材SENB试样的最大载荷值差距不大，分别为22kN和23kN。对于主要承受拉伸载荷的SENT试样，氢的存在会显著恶化其承载能力；对于以弯曲加载为主的SENB试样，氢的存在基本不影响其承载力。此外，充氢SENT试样和母材SENT试样的裂纹嘴张开位移分别为0.495mm和1.178mm；充氢SENB试样和母材SENB试样的裂纹嘴张开位移分别为0.241mm和0.782mm。无论SENT试样还是SENB试样，母材试样都在屈服后经历了较大的裂纹嘴张开位移，充氢试样的D表3所示为充氢SENT试样和母材SENT试样对应于最大载荷位置处的断裂韧性，充氢试样和母材试样的D2.3裂纹扩展路径为探究试样加载过程中氢对裂纹扩展的影响，使用CCD摄像机拍摄对应于最大载荷位置处，充氢SENT试样和母材SENT试样的裂纹尖端张开情况。由图5可见：母材试样的裂纹发生了明显的钝化和塑性变形，且塑性变形区域较大；而充氢试样的裂纹则比较尖锐，其塑性变形主要集中于裂纹尖端的局部区域。由图6可见：裂纹扩展路径（选取位置为试样的中厚度面）可大致分为机加工缺口区、疲劳预制裂纹区和裂纹扩展区，其中裂纹扩展区又可分为起裂、稳态扩展和失稳扩展三个阶段。在母材试样预制疲劳裂纹的前端，可以观察到明显的韧性钝化，裂纹呈稳态扩展；而充氢试样则表现为失稳裂纹扩展，裂纹持续以很小的裂纹张开角扩展，裂纹尖端保持尖锐，不发生钝化。这是因为在应力的作用下，氢原子大量富集在裂纹尖端区域，降低裂纹起裂和扩展所需的应力和能量，恶化裂纹尖端附近的塑性，进而导致较低的断裂韧性，如图7所示。2.4断口表面裂纹扩展特性由图8可见：充氢试样与母材试样的断口形貌具有明显差别，母材试样的断口呈典型韧窝断裂特征，充氢试样的断口则呈浅韧窝和脆性断裂特征，其断口表面的韧窝及孔洞表明裂纹扩展是包含脆性断裂和塑性撕裂的混合断裂机制。在充氢试样的混合断裂机制中，塑性撕裂部分吸收了绝大部分断裂能，然而此过程所能吸收的断裂能要比纯韧性断裂过程低很多。氢的存在降低了裂纹尖端塑性变形所需要的能量，促进韧性撕裂过程向脆性断裂转化，这种断裂机制的改变造成了母材与充氢试样断裂韧性的巨大差异。3氢对管线承载能力的影响(1）氢的存在会显著恶化SENT试样的载荷承载能力，而使用传统SENB试样无法反映氢对承载能力的影响。鉴于SENT试样与实际服役管道的受力状态更为接近，有必要在管线设计中考虑氢对管线承载能力的影响。(2）充氢SENT试样和母材SENT试样的断裂韧性平均值分别为0.109mm和0.568mm，氢的存在显著恶化了X80管线钢的断裂韧性。此外，充氢SENB试样的断裂韧性显著低于充氢SENT试样的，在管线设计过程中，使用SENB试样测定的断裂韧性值会引入