余朋偉,張寧恩,惠海鋒,周小明,田占川,尚 卓

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司,陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

材料腐蝕給國民經(jīng)濟(jì)造成很大的損失。就腐蝕的失效形式來看，危害最嚴(yán)重的是應(yīng)力腐蝕開裂，約占腐蝕失效案例的40%。金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)環(huán)境協(xié)同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，就是應(yīng)力腐蝕開裂。金屬材料發(fā)生開裂前，并沒有明顯的塑性變形，是突然發(fā)生的開裂，因此應(yīng)力腐蝕開裂很難預(yù)防，是一種危險程度很高的破壞形式。對于長期在海水中工作的海洋油氣裝備，腐蝕會導(dǎo)致油氣泄漏，造成巨大的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。為降低腐蝕帶來的安全隱患，就必須要對深水裝備所用材料進(jìn)行腐蝕研究，特別是應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)研究，選取最優(yōu)材料抑制應(yīng)力腐蝕的發(fā)生[1-3]。

1 極化狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

油氣裝備在深海工作時，為了減緩其腐蝕，經(jīng)常采取陰極保護(hù)。合理的陰極保護(hù)能提高裝備抑制應(yīng)力腐蝕的能力，但是對于有氫致開裂傾向的材料，陰極保護(hù)則可能增大應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，因此在極化狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究就顯得非常有必要。采用慢應(yīng)變速率拉伸方法(SSRT)進(jìn)行試驗(yàn)，即把試樣放在特定的腐蝕環(huán)境中，連接到慢拉伸速率試驗(yàn)儀器上，讓儀器保持著一個緩慢而又恒定的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，直到試樣被拉斷為止，整個過程對應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行記錄[4]。

在空氣、海水和海水同時外加陰極保護(hù)三種條件下,分別對合金鋼4130、低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205三種材料制作的拉伸試樣進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)。拉伸后用視頻顯微鏡觀察斷口形貌，利用應(yīng)力腐蝕開裂時間、斷口形貌、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和斷后伸長率等指標(biāo)對三種材質(zhì)的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性進(jìn)行評估[5]。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)裝置為LETRY WDW-100KW拉伸儀、CS350電化學(xué)工作站和3R Anyty視頻顯微鏡。慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，空氣中試驗(yàn)溫度為室溫，溶液中試驗(yàn)溫度為3 ℃；試驗(yàn)材料為合金鋼4130，低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205三種材質(zhì)制作的拉伸樣條，試樣的尺寸見圖1，拉伸速率取0.03 mm/min，試驗(yàn)在空氣、海水及海水同時外加陰極極化三種條件下分別進(jìn)行。在外加電流下進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸時，以拉伸樣條為工作電極，以飽和甘汞電極作參比電極,以鉑電極為輔助電極。拉伸開始前先極化0.5 h，待極化電位穩(wěn)定后開始拉伸，并在整個拉伸過程中保持陰極極化。各材料陰極極化電位采用原則：(1)通過前期電化學(xué)性能分析確定的最佳保護(hù)電位；(2)某深水油氣裝備前期研究確定的采油樹材料與犧牲陽極連接后進(jìn)行陰極保護(hù)時的保護(hù)電位。試樣斷裂后，用視頻顯微鏡觀察斷口形貌，放大倍數(shù)為120倍[6-10]。

圖1 慢應(yīng)變速率拉伸樣條尺寸

表1 三種采油樹材料的陰極保護(hù)電位

2 結(jié)果與討論

2.1 合金鋼4130

拉伸試樣在空氣、海水、海水(-851 mV)、海水(-880 mV)等試驗(yàn)條件下合金鋼4130試樣的慢拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。由圖2可見四種試驗(yàn)條件下試樣的應(yīng)力變化趨勢無明顯差異。從圖3斷裂點(diǎn)的應(yīng)變大小可知，在海水中外加陰極極化條件下，試樣最先發(fā)生斷裂，在空氣中拉伸的試樣最后斷裂。

圖2 4130試樣慢拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 4130拉伸斷裂試樣

合金鋼4130試樣在不同試驗(yàn)條件下的斷口形貌見圖4。由圖4可見,四種條件下試樣的斷面均未觀察到二次裂紋。試樣在空氣中拉伸，其斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象，是典型塑性斷裂斷口特征，而海水中試樣和海水中同時外加陰極極化條件下試樣的斷口均存在脆性斷裂特征。

圖4 4130試樣拉伸斷裂的斷口形貌 120×

合金鋼4130試樣在不同試驗(yàn)條件下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，相對于海水中未經(jīng)陰極保護(hù)的試樣，在海水中-851 mV陰極極化電位下試樣的抗拉強(qiáng)度下降了0.66%，延伸率下降1.2%，斷面收縮率下降9.9%；-880 mV陰極極化電位下試樣的抗拉強(qiáng)度下降1.99%，延伸率下降3.2%，斷面收縮率下降17.4%。說明陰極極化增大了海水中合金鋼4130的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

表2 4130試樣慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低合金鋼Q345D

低合金鋼Q345D試樣在空氣、海水及海水中外加-870 mV、-880 mV陰極極化條件下作慢應(yīng)變速率拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5。

由圖5可見,在彈性變形階段4條曲線的變化趨勢基本一致；在塑性變形階段，在空氣中拉伸曲線最高點(diǎn)應(yīng)力最大，拉伸持續(xù)時間最長。海水中外加-880 mV陰極極化條件下曲線的最高點(diǎn)應(yīng)力最小，率先發(fā)生斷裂。

圖5 Q345D試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

低合金鋼Q345D拉伸試樣在不同條件下的拉伸斷裂見圖6，不同條件下的拉伸斷裂試樣的斷口形貌見圖7。由圖7看出三種條件下試樣的斷口特征大致相同，在海水及海水中外加陰極極化條件下的試樣斷口有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，各試樣斷面上均未發(fā)現(xiàn)二次裂紋。

圖6 拉伸斷裂試樣

圖7 Q345D拉伸斷裂的斷口形貌 120×

低合金鋼Q345D試樣在不同試驗(yàn)條件下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，海水中外加-870 mV陰極極化電位后，與海水中未進(jìn)行陰極保護(hù)的試樣相比，延伸率降低0.3%，斷面收縮率減小0.8%，抗拉強(qiáng)度下降2.66%；-880 mV 陰極極化電位下試樣的抗拉強(qiáng)度下降5.32%，延伸率減小0.3%，斷面收縮率下降 1.4%。說明陰極極化一定程度上增大了海水中低合金鋼Q345D試樣的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

表3 Q345D試樣慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 雙相不銹鋼2205

雙相不銹鋼2205試樣在空氣、海水及海水中外加-621 mV、-880 mV陰極極化條件下慢應(yīng)變速率拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖8。試樣在空氣及海水中拉伸曲線變化趨勢大致相同，而海水中外加-621 mV陰極極化條件下，曲線的最高點(diǎn)應(yīng)力最小，拉伸的持續(xù)時間最長。

圖8 2205試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

雙相不銹鋼2205拉伸試樣在空氣、海水、海水(-621 mV)、海水(-880 mV)不同條件下的拉伸斷裂試樣見圖9，上述試驗(yàn)條件下雙相不銹鋼2205試樣的斷口形貌見圖10。在不同的試驗(yàn)條件下，試樣的斷口特征差別不大，均出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，斷面上無二次裂紋產(chǎn)生，為塑性斷裂斷口。

圖9 拉伸斷裂試樣

圖10 2205拉伸斷裂后的斷口形貌 120×

雙相不銹鋼2205試樣在不同試驗(yàn)條件的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4，相較于海水中無陰極極化條件下，-621 mV的陰極極化電位下的試樣除抗拉強(qiáng)度有所降低(0.6%)外，延伸率增大1.3%，斷面收縮率增加0.2%。在-880 mV陰極極化電位下，延伸率減小4.7%，斷面收縮率降低19.9%，而抗拉強(qiáng)度僅降低0.15%。說明 -621 mV 陰極極化一定程度上降低了雙相不銹鋼2205在海水中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，而-880 mV陰極極化則增大其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

表4 2205試樣慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

通過對水下油氣裝備材料慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)所得應(yīng)力腐蝕開裂時間、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和斷后伸長率等指標(biāo)分析認(rèn)為：

(1)在海水環(huán)境中，對合金鋼4130，低合金鋼Q345D，雙相不銹鋼2205三種材質(zhì)試樣施加陰極保護(hù)電位顯示出不同的效果，最佳(或最小)陰極保護(hù)電位下，陰極極化一定程度上使合金鋼4130，低合金鋼Q345D的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性升高，使雙相不銹鋼2205的應(yīng)力腐蝕敏感性降低。

(2)在Al-Zn-In-Sn陽極提供的保護(hù)電位(-880 mV)下，合金鋼4130，低合金鋼Q345D和雙相不銹鋼2205的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性均略微升高。

(3)對各拉伸試樣斷面進(jìn)行顯微形貌觀察發(fā)現(xiàn)，陰極極化并未導(dǎo)致試樣產(chǎn)生二次裂紋，說明該三種材料在陰極極化導(dǎo)致的性能下降尚在可接受范圍內(nèi)。

(4)在進(jìn)行深水油氣裝備材料選擇時，不僅應(yīng)考慮綜合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用壽命及環(huán)境等因素，還應(yīng)充分考慮材料應(yīng)力腐蝕開裂敏感性和腐蝕機(jī)理，以保證產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的可靠性。