冶金畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　石油、天然氣輸送管線在服役過(guò)程中,環(huán)境中的氫不可避免的進(jìn)入到管線材料內(nèi)部,產(chǎn)生氫損傷。管線鋼中的氫可能導(dǎo)致氫脆和氫致開(kāi)裂，裂紋擴(kuò)展可能與進(jìn)入鋼中的氫含量有關(guān)。</p><p>　　本論文以X80管線鋼為樣品，在0.5mol/L的H2SO4溶液中用電化學(xué)充氫的方法進(jìn)行研究，探討試樣在不同條件下的吸收

2、氫的規(guī)律，為后面的耦合實(shí)驗(yàn)提供充氫依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)共分兩組：第一組固定充氫電流密度，改變充氫時(shí)間，研究在相同充氫電流密度下，充氫時(shí)間對(duì)氫吸收的影響。第二組固定充氫時(shí)間，改變充氫電流密度，研究在相同充氫時(shí)間下，充氫電流密度對(duì)氫吸收的影響。鋼中氫的含量主要采用排油集氣法測(cè)定,以獲得鋼中的氫含量。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)獲得如下結(jié)果：固定充氫電流密度不變，隨著充氫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料中的可擴(kuò)散氫含量CH 逐漸增加.充氫時(shí)間達(dá)

3、到5h時(shí)，材料中的可擴(kuò)散氫含量CH 基本飽和，再延長(zhǎng)充氫時(shí)間，氫含量的增幅很小。固定充氫時(shí)間不變，隨著充氫電流密度的增大，材料中的可擴(kuò)散氫含量CH 逐漸增加，充氫電流密度達(dá)到18mA/cm2時(shí)，材料中的可擴(kuò)散氫含量CH 基本飽和，再增大充氫電流密度，氫含量的增幅很小。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：管線鋼；電流密度；氫脆；耦合 </p&g

4、t;<p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In oil, natural gas transportation pipeline service process, the hydrogen in environment inevitably enters the interior piping materials, generating hydrog

5、en damage. Pipeline steel of hydrogen could lead to hydrogen induced cracking and hydrogen, it has to do with hydrogen content in steel. </p><p>　　The paper used X80 pipeline steel as samples, in 0.5 mol/L -

6、 H2SO4 solution using electrochemical hydrogen charging, to explore specimen under different conditions of hydrogen absorption and provide a basis for hydrogen in behind of coupling experiment. This experiment is divided

7、 into two groups: the first group is in changing hydrogen filling time, fixed current density of hydrogen to study under the same current density of hydrogen, hydrogen filling time for hydrogen absorption. A second group

8、</p><p>　　Experiments obtain the following results: fixed hydrogen charging current density is constant, as the extension of hydrogen filling time, material can be diffusion hydrogen content of CH increased

9、gradually. In hydrogen filling time at 5h, the material can be diffusion hydrogen content of CH basic saturated, and in extend the time of hydrogen, hydrogen content of the increase is small. Fixed hydrogen charging time

10、 is constant, as the increase of current density of hydrogen, the material can be d</p><p>　　Key word: Pipeline steel ；Current density ；Hydrogen embittrlement ；coupling</p><p><b>　　目錄</

11、b></p><p><b>　　摘 要i</b></p><p>　　ABSTRACTii</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1管線鋼簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.1.1管線鋼用途1</p>&

12、lt;p>　　1.1.2管線鋼的生產(chǎn)情況1</p><p>　　1.1.3管線鋼的消費(fèi)狀況2</p><p>　　1.1.4管線鋼的發(fā)展趨勢(shì)3</p><p>　　1.1.5 X80管線鋼3</p><p>　　1.2管線鋼中的氫4</p><p>　　1.2.1影響管線鋼中氫含量的因素分析4<

13、/p><p>　　1.2.2管線鋼中氫腐蝕機(jī)理5</p><p>　　1.2.3管線鋼氫腐蝕致開(kāi)裂的危害5</p><p>　　1.3本實(shí)驗(yàn)的研究背景7</p><p>　　第二章 X80管線鋼電化學(xué)充氫行為的研究9</p><p><b>　　2.1引言9</b></p>&

14、lt;p><b>　　2.2試驗(yàn)方法9</b></p><p>　　2.2.1實(shí)驗(yàn)材料9</p><p>　　2.2.2 樣品加工和準(zhǔn)備10</p><p>　　2.2.3 實(shí)驗(yàn)方案及過(guò)程10</p><p>　　2.3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論12</p><p>　　2.3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

15、12</p><p>　　2.3.2鋼吸收氫規(guī)律13</p><p>　　2.3.3 兩種不同情況下試樣吸收氫含量的比較13</p><p><b>　　第三章 結(jié)論15</b></p><p><b>　　致謝16</b></p><p><b>　　參考

16、文獻(xiàn)17</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1管線鋼簡(jiǎn)介 </b></p><p>　　1.1.1管線鋼用途</p><p>　　管線鋼如圖1.1是指用于輸送石油、天然氣等的大口經(jīng)焊接鋼管用熱軋卷板或?qū)捄癜?。管線鋼在使用過(guò)程中，除

17、要求具有較高的耐壓強(qiáng)度外，還要求具有較高的低溫韌性和優(yōu)良的焊接性能。管線鋼主要用于加工制造油氣管線。油氣管網(wǎng)是連接資源區(qū)和市場(chǎng)區(qū)的最便捷、最安全的通道，它的快速建設(shè)不僅將緩解我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)膲毫?，而且有利于保障油氣市?chǎng)的安全供給，有利于進(jìn)步我國(guó)的能源安全保障程度和能力[1]。</p><p><b>　　圖1.1管線鋼</b></p><p>　　1.1.2管線鋼的生產(chǎn)

18、情況</p><p>　　目前，我國(guó)油氣輸送所使用的管線管主要由石油自然氣團(tuán)體公司的6個(gè)焊管廠生產(chǎn)，它們是寶雞石油鋼管廠、貴陽(yáng)石油鋼管廠、華北石油鋼管廠，遼陽(yáng)石油鋼管廠，沙市石油鋼管廠，勝利石油鋼管廠等，總設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力約為120萬(wàn)t左右。生產(chǎn)的油氣管以螺旋焊管和高頻直縫焊管為主，而管徑大、管壁厚的直縫埋弧焊管的生產(chǎn)在我國(guó)時(shí)間較短。2000年，我國(guó)第一條大口徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線在番禺珠江鋼管公司建成，此生產(chǎn)線從澳大

19、利亞引進(jìn)，可生產(chǎn)厚壁大口徑長(zhǎng)輸管線鋼管，鋼管外徑457～1800mm，特殊規(guī)格可達(dá)3000mm，壁厚4.5～37mm，特殊規(guī)格還可增厚，單管最長(zhǎng)可達(dá)12m。但生產(chǎn)這種焊管所需管線用寬厚鋼板目前基本還需依靠進(jìn)口。近日，日本住友金屬和住友商事又與中國(guó)石油自然氣團(tuán)體公司(CNPC)下屬的寶雞鋼管廠合作生產(chǎn)石油自然氣用中徑焊接鋼管，主要生產(chǎn)油氣輸送管線的支線用焊管，產(chǎn)量可由目前的5萬(wàn)噸進(jìn)步到2～3年后的12萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)對(duì)管線用鋼的需求以X70級(jí)為

20、主，新線目標(biāo)定位在X80級(jí)熱軋寬鋼帶和X100級(jí)寬厚板的生產(chǎn)，以適應(yīng)目前10MPa和近期14MPa以上輸送壓力的設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.1.3管線鋼的消費(fèi)狀況</p><p>　　管線鋼主要用于加工制造油氣管線。油氣管網(wǎng)是連接資源區(qū)和市場(chǎng)區(qū)的最便捷、最安全的通道，它的快速建設(shè)不僅將緩解我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)膲毫?，而且有利于保障油氣市?chǎng)的安全供給，有利于進(jìn)步我國(guó)的能源安全保障程度和能力。&l

21、t;/p><p>　　同石油一樣，我國(guó)也將從境外的俄羅斯、中亞國(guó)家進(jìn)口自然氣，并通過(guò)東南沿海港口進(jìn)口液化自然氣（LNG）。為了把這些自然氣輸送到主要的消費(fèi)區(qū)域，建設(shè)輸送管線是必不可少的。目前“西氣東輸”項(xiàng)目已經(jīng)建成，今后還將建設(shè)的主要管線有陜京二期、中俄自然氣管線（東線、西線）、以及中亞或俄羅斯至上海自然氣管線，終極與“西氣東輸”管線形成“兩橫、兩縱”的自然氣干線。</p><p>　　目前，

22、原油、自然氣管網(wǎng)已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模，成品油輸送管道相對(duì)較少，目前僅占全部輸送量的40%，將來(lái)計(jì)劃修建3萬(wàn)km，管徑在Ф500mm左右，壁厚在10mm以下，以X65為主。未來(lái)10年，我國(guó)將建設(shè)5萬(wàn)km的油氣管道，均勻每年需要展設(shè)近5000km，每年自然氣管道需要鋼材近400萬(wàn)t。</p><p>　　隨著管道輸送壓力的不斷進(jìn)步，油氣輸送鋼管也相應(yīng)迅速向高鋼級(jí)方向發(fā)展。在國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家，20世紀(jì)60年代一般采用X52鋼級(jí)

23、，70年代普遍采用X60～X65鋼級(jí)，近年來(lái)以X70為主，而國(guó)內(nèi)城市管網(wǎng)以X52、X65為主。目前國(guó)內(nèi)主干線輸氣管最大壓力為10MPa，最大直徑能夠達(dá)到Ф1016～1219mm，以X65、X70應(yīng)用為主，X80也有應(yīng)用，但用量未幾。隨著國(guó)內(nèi)輸氣管的延長(zhǎng)和要求壓力的進(jìn)步，X70、X80將成為主流管線鋼。</p><p>　　1.1.4管線鋼的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　隨著石油自然氣需求量

24、的不斷增加，管道的輸送壓力和管徑也不斷地增大，以增加其輸送效率?？紤]到管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，還需增加管壁厚度和進(jìn)步管材的強(qiáng)度，因此用作這類輸送管的管線鋼都向著厚規(guī)格和高強(qiáng)度方向發(fā)展。由于自然氣的可壓縮性，因而輸氣管的輸送壓力要較輸油管為高。近年來(lái)國(guó)外多數(shù)輸氣管道的壓力已從早期的4．5～6．4MPa進(jìn)步到8.0～12MPa，有的管道則達(dá)到了14～15．7MPa，從而使輸氣管的鋼級(jí)也相應(yīng)地進(jìn)步[2]。目前，國(guó)外的大口徑輸氣管已普遍采用X

25、70鋼級(jí)，X80開(kāi)始進(jìn)進(jìn)小規(guī)模的使用階段，X100也研制成功，并著手研制X120。輸送酸性自然氣的管道用鋼目前已能生產(chǎn)到X65鋼級(jí)。21世紀(jì)是我國(guó)輸氣管建設(shè)的高峰時(shí)期?！拔鳉鈻|輸”管線采用大口徑、高壓輸送管的方法。這條管線全長(zhǎng)4167km，輸送壓力為10MPa，管徑為1016mm，采用的鋼級(jí)為X70、厚度為14．6mm，20℃的橫向沖擊功為≥120J。這一鋼級(jí)、規(guī)格、韌性級(jí)別目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)，并且質(zhì)量達(dá)到國(guó)際水平。因此，生產(chǎn)這種規(guī)格的高

26、強(qiáng)度、高韌性管線鋼對(duì)我國(guó)今后采用國(guó)產(chǎn)管線鋼生產(chǎn)大口徑、高壓輸氣管具有十分重大的戰(zhàn)略意義。</p><p>　　1.1.5 X80管線鋼</p><p>　　X80管線鋼的基本組織是針狀鐵素體組織[3]，這種組織是在較大的冷卻速度下，在溫度范圍略高于貝氏體形成溫度下的連續(xù)冷卻過(guò)程中，由于擴(kuò)散和剪切變形的共同作用，形成沒(méi)有完整連續(xù)的晶界粒度參差不一的組織針狀鐵素體組織通常由針狀鐵素體和粒狀貝氏

27、體組成，同時(shí)基體中分布著島針狀鐵素體管線鋼主要通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和相變強(qiáng)化保證其強(qiáng)度。由于微合金的添加和控制軋制和控制冷卻工藝的應(yīng)用，可以保證得到細(xì)小組織。因此，以針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主要組織的X80級(jí)管線鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。同時(shí)，針狀鐵素體管線鋼具有良好的焊接性能，其抗應(yīng)力腐蝕氫誘發(fā)裂紋的能力也較高，較小的重疊尖銳組織為針狀鐵素體在掃描電鏡下可以發(fā)現(xiàn)管線鋼顯微組織體現(xiàn)出了典型的針狀鐵素體特征：晶界方向不一 ，且相互

28、交割，晶粒細(xì)化明顯。放大觀察倍數(shù)后可以看到晶界上也有大量的位錯(cuò)塞積析出粒子分布較為均勻，對(duì)針狀鐵素體板條上的高密度位錯(cuò)起到了釘扎作用，提高了鋼的強(qiáng)度管線鋼的強(qiáng)韌性隨著油氣管道運(yùn)行壓力與管徑的不斷增加，管道發(fā)生爆裂的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大。同時(shí)，隨著在土質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)不連續(xù)區(qū)及地震帶等地質(zhì)情況復(fù)雜地區(qū)和高寒地區(qū)鋪設(shè)的管道越來(lái)越多，對(duì)于管</p><p>　　圖1.2 X80管線鋼20倍金相組織</p><p

29、><b>　　1.2管線鋼中的氫</b></p><p>　　1.2.1影響管線鋼中氫含量的因素分析</p><p>　　相關(guān)資料表明[5]，影響鋼中氫含量的因素有原輔材料帶入的氫（如：鐵水含氫、廢鋼表面的鐵銹、鐵合金中的氫和水分、石灰、增碳劑、脫氧劑、覆蓋劑、保護(hù)渣等渣料中的水分等）、冶煉過(guò)程的增氫量（設(shè)備漏水或電極噴淋水、出鋼過(guò)程及冶煉過(guò)程與大氣接觸增氫、喂

30、絲過(guò)程鋼水裸露增氫等）、VD 過(guò)程的脫氫效果等。由于廢鋼、鐵水及鐵合金等輔助材料帶入的氫是不可避免的，目前考慮到成本因素，大部分鋼廠對(duì)鐵合金等輔助材料未進(jìn)行烘烤，故生產(chǎn)此類鋼種只能考慮通過(guò)減少精煉渣及石灰的加入量來(lái)減少原輔材料帶入的氫。其次，電弧爐冶煉過(guò)程的電極噴淋水開(kāi)啟過(guò)大、水冷件漏水或氧槍漏水也是影響此類鋼種VD 前氫含量高的主要因素之一。在VD 爐，提高抗HIC 及SSCC 管線鋼VD 過(guò)程的脫氫效果，并減少VD 后增氫是控制此類

31、鋼種精煉終點(diǎn)氫含量的重要因素。</p><p>　　1.2.2管線鋼中氫腐蝕機(jī)理</p><p>　　干燥的硫化氫并不會(huì)腐蝕金屬, 只有在濕硫化氫環(huán)境中金屬才會(huì)發(fā)生腐蝕。在濕硫化氫環(huán)境中將按照以下步驟進(jìn)行: 石油、天然氣中的水附著于管線鋼的內(nèi)表面,硫化氫( H2S) 在水中形成硫和氫的離子；Fe 奪取 H 的正電荷, 成為Fe2+ 及 H 原子，形成硫化鐵(FeS),硫化鐵(FeS)為紅褐

32、色物體,附著于管的內(nèi)表面；H原子體積很小,根據(jù)分壓大小向鋼中擴(kuò)散H原子首先聚集于非金屬夾雜物、氣孔及偏析中；在存留處,H原子變成氫氣( H2)分子,體積增大20倍，H2 體積增大過(guò)程中,存留處壓力急劇增加,如超過(guò)金屬起裂應(yīng)力時(shí)會(huì)造成裂紋擴(kuò)展；如存留處在管內(nèi)表面,則形成鼓泡；如在內(nèi)部則形成平行于金屬表面的裂紋,這些裂紋通常成階梯。</p><p>　　1.2.3管線鋼氫腐蝕致開(kāi)裂的危害</p><

33、;p>　　可見(jiàn)，油氣輸送管線在國(guó)計(jì)民生中發(fā)揮著重要的作用。但是，由于管道內(nèi)部輸送介質(zhì)和外部埋地土壤的腐蝕，管道經(jīng)常發(fā)生泄漏和斷裂事故。多年來(lái)，人們?cè)诓捎梅雷o(hù)涂層和陰極保護(hù)等措施以減少埋地管道腐蝕事故的發(fā)生方面，取得了一定的進(jìn)展，但由于埋地管道腐蝕涉及的影響因素復(fù)雜多變，仍然有腐蝕失效事故的發(fā)生，同時(shí)又有新的管道腐蝕問(wèn)題不斷出現(xiàn)。尤其管線鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）已經(jīng)成為威脅管道安全、完整運(yùn)營(yíng)的主要損傷形式之一，引起了人們的特別關(guān)注

34、。例如，1965年3月美國(guó)的路易斯安那州發(fā)生了世界第一例長(zhǎng)輸管線的失效，導(dǎo)致輸送氣體的泄漏而引發(fā)大火[6]。 我國(guó)四川輸氣網(wǎng)在1971-1976年間，由于管道腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致的爆炸、燃燒事故103起，其中1971年威-成管線由于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起的大爆炸、燃燒事故的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7000萬(wàn)，傷亡24人，給社會(huì)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[7,8]。1985年至1986年的一年時(shí)間內(nèi)，在加拿大的北安大略省發(fā)生了3起管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂事故，之后的1991年

35、和1992年又相繼發(fā)生了2起管道的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂事故[7]。這引起了加拿大能源局的重視，組成調(diào)查組對(duì)加拿大境內(nèi)的管線進(jìn)行了全面的調(diào)查。結(jié)果</p><p>　　表1.1 1/1/2002-12/31/2003一年內(nèi)引起輸送危險(xiǎn)液體管道事故的原因總結(jié)</p><p>　　Notes:   (1) The failure data breakdown by cause ma

36、y change as OPS receives supplemental information on accidents.   (2) Sum of numbers in a column may not match given total because of rounding error.</p><p>　　圖1.2引起輸送危險(xiǎn)液體管道失效的事故原因及

37、所占的比例</p><p>　　1.3本實(shí)驗(yàn)的研究背景</p><p>　　石油、天然氣是人類社會(huì)賴以生存的重要能源，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)石油和天然氣等能源的需求也日益增加，而管道輸送油氣是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的運(yùn)送方式。但從上世紀(jì)60年代開(kāi)始至今，世界各地先后發(fā)生多起輸氣管道爆裂事故。研究表明在管道內(nèi)部壓力和外部土壤腐蝕環(huán)境的交互作用下，管線鋼可以發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。管道的破裂造成了重大

38、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和自然環(huán)境破壞等嚴(yán)重后果。明確管道在實(shí)際服役條件下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂機(jī)理及影響因素，對(duì)于管道的防護(hù)及剩余壽命預(yù)測(cè)，減少管道開(kāi)裂事故發(fā)生都有重要意義。</p><p>　　管道的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是在外力、腐蝕環(huán)境和材料自身缺陷三者共同作用下的結(jié)果。管道在實(shí)際服役環(huán)境中受力非常復(fù)雜，除承受內(nèi)部油氣輸送過(guò)程中所施加的周向波動(dòng)應(yīng)力外，還會(huì)承受土壤移動(dòng)和鋪設(shè)過(guò)程中所施加的垂直于管道軸向的彎曲應(yīng)力，如果管道鋪設(shè)在稍

39、有斜坡的地段或遇到地震和泥石流等自然災(zāi)害時(shí)，管道同樣會(huì)承受一定的彎曲應(yīng)力?？梢?jiàn)，實(shí)際服役的管道處于復(fù)合應(yīng)力的作用下，對(duì)于管道上已經(jīng)萌生的微小裂紋的擴(kuò)展問(wèn)題也不只是簡(jiǎn)單的I型裂紋的擴(kuò)展問(wèn)題，同時(shí)存在著II型裂紋或III型裂紋的擴(kuò)展問(wèn)題。為了研究管線鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，研究者們引入了斷裂力學(xué)的研究方法[10]，但是人們常常將裂紋進(jìn)行簡(jiǎn)化，把復(fù)雜的裂紋按照其最危險(xiǎn)的形式—I型撕開(kāi)型裂紋處理[11-13]。王榮[14]曾采用單邊

40、裂紋試樣（I型裂紋）研究了X80管線鋼在波動(dòng)載荷下裂紋擴(kuò)展特性，結(jié)果表明與堿性碳酸鹽環(huán)境相比，管線鋼在中性碳酸鹽環(huán)境中具有較高的裂紋擴(kuò)展速率。另外，在NS4溶液中，裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)局部準(zhǔn)解理斷口和二次裂紋,這與氫在裂紋擴(kuò)展中的作用有關(guān)。而管線鋼發(fā)生穿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂時(shí)，其腐蝕環(huán)境中確實(shí)可以有氫離子生成[15]。文獻(xiàn)[14]的結(jié)果說(shuō)明</p><p>　　此外，我國(guó)西氣東輸二線干線全部采用X80鋼管，鋼管強(qiáng)度級(jí)別提高對(duì)氫

41、的敏感性如何，以及在含氫離子的服役環(huán)境和復(fù)雜應(yīng)力耦合作用下，這些高級(jí)別管線上一旦萌生的微小裂紋擴(kuò)展速率如何變化，都將影響管道的服役壽命。因此，明確裂紋的擴(kuò)展速率及氫-復(fù)雜應(yīng)力間的作用機(jī)制對(duì)管道的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。因此本文在實(shí)驗(yàn)室條件下研究X80管線鋼在不同條件下進(jìn)入鋼中氫的含量。為氫與復(fù)雜應(yīng)力耦合作用下，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的研究做鋪墊。</p><p>　　第二章 X80管線鋼電化學(xué)充氫行為的研究</p&

42、gt;<p><b>　　2.1引言</b></p><p>　　氫致裂紋( HIC) 是管線鋼在酸性環(huán)境下腐蝕的主要方式之一[25]，隨著管線鋼級(jí)別的增大，其成本越低，但抗HIC 性能越差[26]。周琦等[27]在對(duì)管線鋼硫化氫環(huán)境臺(tái)階狀氫致開(kāi)裂分析中指出，鋼中Mn、P、S的含量及其偏析程度，與鋼的氫致開(kāi)裂密切相關(guān)。Domizzi 等[28]在S含量及其夾雜物分布對(duì)HIC 影

43、響的研究中指出，HIC敏感性與微觀組織有關(guān)，裂紋更易在塑性較差的組織處形核與擴(kuò)展。一般認(rèn)為，氫致裂紋容易在鋼中的氫陷阱如夾雜物、位錯(cuò)、空隙及晶界等處萌生。在排除試樣本身因素影響外，從電化學(xué)充氫實(shí)驗(yàn)獲得的80管線鋼中氫含量對(duì)裂紋的影響可以直觀分析和對(duì)比環(huán)境因素的差異。但很少看到有關(guān)X80 管線鋼這方面的研究。因此，本文采用電化學(xué)方法充氫，進(jìn)而研究氫在X80管線鋼中在不同條件下對(duì)氫吸收的影響，為后面的耦合實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。<

44、/p><p><b>　　2.2試驗(yàn)方法</b></p><p><b>　　2.2.1實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)均采用我國(guó)自行生產(chǎn)的X80管線鋼。X80管線鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表2.1和表2.2。</p><p>　　表2 .1 X80管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量百分比，%)<

45、/p><p>　　表2.2 X80管線鋼力學(xué)性能</p><p>　　※YS：屈服強(qiáng)度；UTS：最大拉伸強(qiáng)度；EL：延伸率</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)還需要的實(shí)驗(yàn)器材及用品：PS-168電位儀、電火花數(shù)控線切割機(jī)床、無(wú)水乙醇、甘油、蒸餾水、量筒、繩、0.5mol/L H2SO4 </p><p>　　2.2.2 樣品加工和準(zhǔn)備</p>

46、<p>　　先將X80管線鋼用電火花數(shù)控線切割機(jī)床切割成50mm×21mm×3mm的樣品，再將樣品寬的方向上切一條深為3mm的裂紋，最后分別用400#、600#、800#、1000#砂紙由粗到細(xì)逐級(jí)打磨樣品表面，得到的樣品如尺寸及形狀如圖2.1所示。</p><p><b>　　圖2.1 初始樣品</b></p><p>　　電火花數(shù)

47、控線切割機(jī)床原理：數(shù)控電火花線切割機(jī)床是利用電火花原理，將工件與加工工具作為極性不同的兩個(gè)電極，作為工具電極的金屬絲（銅絲或鉬絲）穿過(guò)工件，由計(jì)算機(jī)按預(yù)定的軌跡控制工件的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)兩電極間的放電蝕除材料來(lái)進(jìn)行切割加工的一種新型機(jī)床。</p><p>　　2.2.3 實(shí)驗(yàn)方案及過(guò)程</p><p>　　電化學(xué)充氫在PS·168 型恒電位儀上進(jìn)行，電解液采用0.5mol/L H2SO

48、4溶液。將試樣用防水膠帶纏好，使其有效面積為4cm2，并用銅導(dǎo)線纏好，將準(zhǔn)備好的試樣置于電解液中，試樣為陰極，鉑片為陽(yáng)極，采用恒電流方法對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)充氫。充氫設(shè)備如圖2.2。</p><p>　　圖2.2充氫設(shè)備示意圖</p><p>　　電化學(xué)充氫的試樣分成兩組：一組在固定充氫電流密度6mA/cm2 時(shí)，分別充氫1h、2h、3h、4 h、5h，研究在相同充氫電流密度下, 充氫時(shí)間對(duì)氫

49、吸收的影響；另一組試樣充氫電流密度分別為2 mA/cm2、6mA/cm2、10 mA/cm2、14 mA /cm2、18mA/cm2充氫時(shí)間1h，研究在相同充氫時(shí)間下，充電流密度對(duì)氫吸收的影響試 樣。以固定充氫電流密度6mA/cm2，充氫3小時(shí)為例。充氫前如圖2.3，充氫過(guò)程中如圖2.4，充氫后如圖2.5以及從燒杯取出時(shí)如圖2.6試樣變化。</p><p>　　圖2.3 充氫前試樣 圖2.4 充氫過(guò)程中試樣&

50、lt;/p><p>　　圖2.5 充氫后試樣 圖2.6 從燒杯中取出后試樣 </p><p>　　充氫完畢后，用蒸餾水清洗干凈，用排油集氣法測(cè)定鋼試樣中的氫含量。將充氫的試樣放入量筒中，并用塑料密封讀取甘油的液面高度, 在恒溫放置24 h 后，再讀取甘油液面高度，由兩次甘油液面差計(jì)算排出氫的體積。則試樣中可擴(kuò)散氫含量 CH（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）由公式（2.

51、1）計(jì)算</p><p>　　CH =× 8.988×0.2 （2.1） </p><p>　　式中：T0為 273K；P 為實(shí)驗(yàn)環(huán)境氣壓；P0為大氣壓，0. 101 MP a；T 為試驗(yàn)溫度；W為試樣質(zhì)量，mg；Q為氫氣密度，0. 08988 g/ L；△v為擴(kuò)散氫的體積，ml</p><p>　

52、　2.3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論</p><p><b>　　2.3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　固定充氫電流密度6mA/cm2 時(shí)，在充氫時(shí)間分別1h、2h、3h、4 h、5h得到的的數(shù)據(jù)如表2.1</p><p>　　表2.1 固定充氫電流密度不變，改變充氫時(shí)間得到數(shù)據(jù)表</p><p>　　固定充氫時(shí)間1h，在

53、充氫電流密度分別為2 mA/cm2、6 mA/cm2、10 mA/cm2、14 mA/cm2、18 mA/cm2 得到的數(shù)據(jù)如表2.2。</p><p>　　表2.1 固定充氫時(shí)間不變，改變充氫電流密度得到數(shù)據(jù)表</p><p>　　2.3.2鋼吸收氫規(guī)律</p><p>　　由圖2.7可見(jiàn)，當(dāng)充氫電流密度不變時(shí)，隨著充氫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料中可擴(kuò)散氫含量CH逐漸增加，

54、充氫時(shí)間達(dá)到5h時(shí)，材料中的可擴(kuò)散氫含量CH 基本飽和, 再延長(zhǎng)充氫時(shí)間, 氫含量的增幅很小。由圖2.8可見(jiàn)當(dāng)充氫時(shí)間不變時(shí)，隨著充氫電流密度的增大，材料中可擴(kuò)散氫含量CH 逐漸增加，充氫電流密度達(dá)到18 mA/cm2時(shí)，材料中的可擴(kuò)散氫含量CH 基本飽和，再增大充氫電流密度，氫含量的增幅很小。隨著電流密度的增加以及充氫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料對(duì)氫的敏感程度加大。這是因?yàn)樵陔娀瘜W(xué)充氫試驗(yàn)中，溶液中的H+獲得電子形成氫原子吸附在材料表面，即在作為

55、陰極的試樣表面上形成化學(xué)位梯度，充氫電流密度的變化以及充氫時(shí)間變化決定了化學(xué)位梯度的變化，增大充氫電流密度以及延長(zhǎng)充氫時(shí)間，陰極表面的氫濃度就上升，進(jìn)入材料內(nèi)部的氫含量就較高。</p><p>　　圖2.7 氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨充氫時(shí)間變化 圖2.8 氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨充氫電流密度變化</p><p>　　2.3.3 兩種不同情況下試樣吸收氫含量的比較</p><p

56、>　　兩種條件下試樣電化學(xué)充氫，試樣所用溶液及體積相同，試樣有效面積相同，主要區(qū)別在于一種是固定充氫電流密度，改變充氫時(shí)間；一種是固定充氫時(shí)間，改變充氫電流密度。第一種情況下隨著充氫時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣表面產(chǎn)生的氣泡逐漸增多且大，擴(kuò)散到試樣中的氫含量逐漸增多，但增加的越來(lái)越緩慢，最后基本達(dá)到一個(gè)飽和值；第二種情況下隨著充氫電流密度的增大，試樣表面產(chǎn)生的氣泡同樣逐漸增多且大，擴(kuò)散到試樣中的氫含量逐漸增多，增加的也越來(lái)越緩慢，最后基本達(dá)到

57、一個(gè)飽和值。通過(guò)對(duì)比可知，兩種情況下試樣對(duì)氫的敏感程度基本相同，達(dá)到的飽和值也基本相同。</p><p><b>　　第三章 結(jié)論</b></p><p>　　本文研究了在不同充氫電流密度和充氫時(shí)間的條件下，X80管線鋼中可擴(kuò)散氫的含量，其研究結(jié)果如下：</p><p>　　當(dāng)充氫電流密度不變時(shí)，隨著充氫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料中可擴(kuò)散氫含量CH逐漸增

58、加。</p><p>　　當(dāng)充氫時(shí)間不變時(shí)，隨著充氫電流密度的增大，材料中可擴(kuò)散氫含量CH逐漸增加。</p><p>　　充氫時(shí)間不變充氫電流密度達(dá)到18 mA/cm2時(shí)，材料中的可擴(kuò)散氫含量基本飽和。</p><p>　　充氫電流密度不變時(shí)，充氫時(shí)間為5h時(shí)，材料中的可擴(kuò)散氫含量基本飽和。</p><p>　　5. 隨著電流密度的增大和充

59、氫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料表面的氣泡多且大</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李鶴林. 天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題. 石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文集石油工業(yè)出版社, 2001.3～19.</p><p>　　[2] Gonzalez J G,Rodriguez, HallenJ MandGuzman

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