CN106248571A - 氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法 - Google Patents

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彭浩
程鹏
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宋建红
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Abstract

本发明提供一种氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法，包括准备试样；进行试验和抗氢致开裂腐蚀性能评价部分。其中核心是在试样准备好之后，通过将试样作为工作电极接入电化学双电解池体系，操作电化学工作站对电解池B加载恒电位，测得电流‑时间曲线。当电流降到1μA时，将0.4mol/L H2SO4+0.2g/L硫脲溶液导入电解池A中，操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流。经过一段时间后电流‑时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞；计算氢扩散系数，并进行评价。本发明采用常用酸碱配制腐蚀溶液，溶液配制方便、简单；检验成本低，能够快速评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能。

Description

氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法
技术领域
本发明涉及一种材料性能的检验评价方法，具体是指一种氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法。
背景技术
硫化氢是一种强的渗氢介质，它不仅提供氢的来源，还起到阻碍氢原子结合氢分子的作用。在含有硫化氢的油、气环境中，油气管线常常因腐蚀电化学产生的氢侵入钢内而产生氢致开裂(HIC)破坏。因此，酸性介质用管线钢必须要进行硫化氢腐蚀试验。现今，管线钢抗HIC腐蚀性能检验根据NACE TM 0284和GB/T 8650试验标准进行，试验中使用剧毒H2S气体，若试验装置出现泄露，将危及操作人员生命。并且试验周期长达96h，耗费大量人力和物力，检验成本较高。氢在管线钢中的捕获效率是影响材料HIC敏感性的主要因素。因此，可以基于扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能。
发明内容
本发明提供一种氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法，该检验方法能够快速评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能，替代现行HIC试验标准，解决了现行检验方法中H2S的危害以及检验成本高的问题。
本发明氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法，具体是这样实现的：
准备试样：将管线钢试样加工成尺寸长×宽×厚为30mm×30mm×1mm(±0.1mm)的试样，同一条件下试样选取3件作为平行样，用P800砂纸手工打磨试样表面，然后用去离子水、无水乙醇先后清洗后吹干，测量试样厚度d。
试验方法：试验装置由电化学双电解池体系和电化学工作站组成。试验开始前，将试样作为工作电极接入电化学双电解池体系，试验温度保持在30±0.5℃。将0.1mol/L的NaOH溶液导入电解池B中，操作电化学工作站对电解池B加载0.3V(相对于开路电位)恒电位，测得电流-时间曲线。由于试样中残余H被逐渐氧化成H+，测得电流不断下降。当电流降到1μA时，将0.4mol/L H2SO4+0.2g/L硫脲溶液导入电解池A中，操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流。经过一段时间后电流-时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞；
抗氢致开裂腐蚀性能评价：计算氢扩散系数其中d为试样厚度，单位为cm，tL为0.63×I∞电流值对应的时间，单位为s。当扩散系数大于4.5×10-6cm2/s时，管线钢试样发生氢致开裂。
本发明氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法试验条件选择及限定原理如下：
氢在钢中的扩散主要受其在试样表面的聚集程度和钢中氢陷阱的影响，氢陷阱包括钢种的夹杂物、析出物、位错、溶质原子以及空洞等缺陷。钢中的夹杂物和位错都是可逆的氢陷阱，这些缺陷吸附大量的氢原子，这些氢原子结合成氢分子沉淀出来，变成孔洞核心。随着氢量的增加，产生较大的应力，位错中心和夹杂物处的氢压升高，当显微缺陷处的氢压超过材料的断裂强度时，即使不存在残余应力也可形成氢致裂纹。因此，氢在钢中的捕获效率是影响材料HIC敏感性的重要因素，氢扩散系数Deff能够反映钢的HIC敏感性。
发生氢致开裂的临界氢扩散系数：取X46、X52、X65、X70、X80、X90等牌号管线钢共100批次，按照本发明方法进行氢扩散系数测试，并按照NACE TM 0284和GB/T 8650试验标准进行抗氢致开裂评定。试验结果得出，当扩散系数大于4.5×10-6cm2/s时，管线钢试样发生氢致开裂。因此，本发明中将4.5×10-6cm2/s作为管线钢试样发生氢致开裂的临界扩散系数。
本发明的氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法具有如下特点：
(1)采用常用酸碱配制腐蚀溶液，溶液配制方便、简单；
(2)可替代使用剧毒H2S气体的NACE TM 0284和GB/T 8650试验标准，安全、环保；
(3)检验成本低，能够快速评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能；
(4)试验测得扩散系数大于4.5×10-6cm2/s时，管线钢试样发生氢致开裂。
具体实施方式：
下面结合具体实施实例对本发明的氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法作进一步的详细说明。
实施例1
机加工获取1#批次3件管线钢平行样，试样实测厚度分别为0.90mm、0.90mm、0.92mm。试验温度为30.1℃。电解池B中导入0.1mol/L NaOH溶液后，操作电化学工作站对电解池加载0.3V(相对于开路电位)恒电位，并记录电流-时间曲线。当电流值降到1μA时，电解池A中加入0.4mol/L H2SO4+0.2g/L硫脲溶液。操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流。经过一段时间后电流-时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞。测得tL为0.63×I∞对应时间，分别为397、403、401s，计算氢扩散系数Deff分别为3.40×10-6cm2/s、3.35×10-6cm2/s、3.52×10-6cm2/s，因此，1#管线钢氢扩散系数Deff为3.42×10-6cm2/s，小于4.5×10-6cm2/s，不会发生氢致开裂。
实施例2
机加工获取2#批次3件管线钢平行样，试样实测厚度分别为0.94mm、0.92mm、0.92mm。试验温度为29.5℃。电解池B中导入0.1mol/L NaOH溶液后，操作电化学工作站对电解池加载0.3V(相对于开路电位)恒电位，并记录电流-时间曲线。当电流值降到1μA时，电解池A中加入0.4mol/L H2SO4+0.2g/L硫脲溶液。操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流。经过一段时间后电流-时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞。测得tL为0.63×I∞对应时间，分别为500、483、491s，计算氢扩散系数Deff分别为2.95×10-6cm2/s、2.92×10-6cm2/s、2.87×10-6cm2/s，因此，2#管线钢氢扩散系数Deff为2.91×10-6cm2/s，小于4.5×10-6cm2/s，不会发生氢致开裂。
实施例3
机加工获取3#批次3件管线钢平行样，试样实测厚度分别为0.92mm、0.96mm、0.94mm。试验温度为30.5℃。电解池B中导入0.1mol/L NaOH溶液后，操作电化学工作站对电解池加载0.3V(相对于开路电位)恒电位，并记录电流-时间曲线。当电流值降到1μA时，电解池A中加入0.4mol/L H2SO4+0.2g/L硫脲溶液。操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流。经过一段时间后电流-时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞。测得tL为0.63×I∞对应时间，分别为287、268、301s，计算氢扩散系数Deff分别为4.92×10-6cm2/s、5.73×10-6cm2/s、4.89×10-6cm2/s，因此，3#管线钢氢扩散系数Deff为5.18×10-6cm2/s，大于4.5×10-6cm2/s，会发生氢致开裂。
实施例4
机加工获取4#批次3件管线钢平行样，试样实测厚度分别为0.94mm、0.92mm、0.92mm。试验温度为30.2℃。电解池B中导入0.1mol/L NaOH溶液后，操作电化学工作站对电解池加载0.3V(相对于开路电位)恒电位，并记录电流-时间曲线。当电流值降到1μA时，电解池A中加入0.4mol/L H2SO4+0.2g/L硫脲溶液。操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流。经过一段时间后电流-时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞。测得tL为0.63×I∞对应时间，分别为497、483、491s，计算氢扩散系数Deff分别为2.96×10-6cm2/s、2.92×10-6cm2/s、2.87×10-6cm2/s，因此，4#管线钢氢扩散系数Deff为2.92×10-6cm2/s，小于4.5×10-6cm2/s，不会发生氢致开裂。
实施例5
机加工获取5#批次3件管线钢平行样，试样实测厚度分别为1.06mm、1.08mm、1.10mm。试验温度为29.7℃。电解池B中导入0.1mol/L NaOH溶液后，操作电化学工作站对电解池加载0.3V(相对于开路电位)恒电位，并记录电流-时间曲线。当电流值降到1μA时，电解池A中加入0.4mol/L H2SO4+0.2g/L硫脲溶液。操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流。经过一段时间后电流-时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞。测得tL为0.63×I∞对应时间，分别为310、307、316s，计算氢扩散系数Deff分别为6.04×10-6cm2/s、6.33×10-6cm2/s、6.38×10-6cm2/s，因此，5#管线钢氢扩散系数Deff为6.25×10-6cm2/s，大于4.5×10-6cm2/s，会发生氢致开裂。

Claims (1)

1.氢扩散系数评价管线钢抗氢致开裂腐蚀性能的方法，其特征在于：
准备试样：将管线钢试样加工成尺寸长×宽×厚为30mm×30mm×1mm，误差为±0.1mm的试样，同一条件下试样选取3件作为平行样，用P800砂纸手工打磨试样表面，用去离子水、无水乙醇先后清洗后吹干，测量试样厚度d；
试验方法：试验装置由电化学双电解池体系和电化学工作站组成，试验开始前，将试样作为工作电极接入电化学双电解池体系，试验温度保持在30±0.5℃；将0.1mol/L的NaOH溶液导入电解池B中，操作电化学工作站对电解池B加载0.3V恒电位，测得电流-时间曲线；由于试样中残余H被逐渐氧化成H+，测得电流不断下降；当电流降到1μA时，将0.4mol/LH2SO4+0.2g/L硫脲溶液导入电解池A中，操作电化学工作站对电解池A加载1mA/cm2恒电流；经过一段时间后电流-时间曲线中电流值逐渐稳定，达到每分钟在±1μA范围内波动，停止试验，记录此时电流值I∞；
抗氢致开裂腐蚀性能评价：计算氢扩散系数其中d为试样厚度，单位为cm，tL为0.63×I∞电流值对应的时间，单位为s；当氢扩散系数Deff大于4.5×10-6cm2/s时，管线钢试样发生氢致开裂。
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