含双腐蚀缺陷管道的氢浓度分布模拟

为了研究含双腐蚀缺陷管道上的氢浓度分布规律,本文建立了应力场和氢扩散场耦合的有限元模型,针对双腐蚀缺陷间的应力耦合行为,探究了腐蚀缺陷长度、缺陷间距以及管道所受拉伸应变对管材中氢扩散富集行为的影响机制。结果表明,腐蚀缺陷的存在导致氢原子在管道内发生局部富集,富集区最大氢浓度数值随拉伸应变的增大和缺陷长度的减小而升高,同时,最大氢浓度位置发生改变。而双缺陷在间距足够大时不再对氢扩散和富集产生叠加影响,可看作两个独立的缺陷。研究成果为含双腐蚀缺陷管道在输氢环境中的安全评价提供了理论支撑。     

氢扩散与裂纹尖端应力场耦合效应的有限元分析

目的研究氢鼓包形成过程中应力诱导下氢原子的扩散聚集行为,并考虑氢原子扩散聚集后对裂纹尖端区域应力场的影响,探究裂纹尖端区域氢浓度、氢气压强、应力强度因子随时间的演化历程。方法采用有限元软件ABAQUS,通过一个完全耦合分析,探究氢扩散与裂纹尖端区域应力场相互影响的动态过程。借助于断裂力学中的裂纹扩展判据判定氢鼓包是否会继续向前扩展。结果在应力诱导作用下,氢原子源源不断地向裂纹尖端高应力区域聚集,裂纹尖端区域的氢浓度、氢压、应力强度因子随时间呈指数型增长。结论在浓度梯度作用下,氢原子会向材料内部扩散。氢压引起的应力场会促进氢原子的扩散聚集行为,且应力场越大,促进作用越明显,使得缺陷处的氢浓度不断增大,氢压也就越来越大。当应力强度因子达到裂纹起裂的临界值时,就会导致开裂,形成氢鼓包,如此循环往复,直至氢鼓包开裂。     

X80钢管道焊接致氢富集及热处理数值模拟

为了探究焊后热处理对焊接残余应力及氢扩散的影响，采用Abaqus软件建立含六层环焊缝的X80钢管道模型，进行温度场、应力场和氢扩散耦合分析。结果表明，焊接产生的残余应力主要集中在焊缝区和热影响区，Mises等效应力峰值为580 MPa,已接近管材的屈服强度。管道材料内氢浓度沿着径向和轴向分布不同，但均与静水应力的分布规律相似。输氢管道焊后热处理的效果明显，可显著降低焊接残余应力、静水应力，从而降低氢富集浓度，减少焊缝处可能的氢脆现象发生。     

腐蚀减薄对X80钢管机械损伤凹陷过程中应力应变的影响

石油管道运行过程中的机械损伤和腐蚀问题对石油管道工程安全性具有重要影响。对于X80钢管,热轧制和热卷管工艺使其表层晶粒细化,在腐蚀状态下的变形过程中各位置会产生不同的应变响应。针对腐蚀造成的管壁减薄对凹陷过程的应力应变分布的影响情况,采用模拟和实验方法研究了不同凹陷深度对钢管应力应变的影响,分析了凹陷区组织及硬度的变化规律。结果表明:腐蚀减薄后使得表层细晶退化,对管体机械损伤凹陷过程影响显著,最大应力出现在腐蚀凹坑边缘。当凹陷深度≥5%D时,应变增幅较单纯凹陷急速增大,腐蚀造成的管壁减薄损伤部位在发生凹陷变形时,管体的应力应变集中于腐蚀坑边缘且急剧增大。在管线钢变形过程中,位错大部分聚集并缠结于晶界处,腐蚀减薄后形成了表面缺陷,产生位错钉扎;高密度位错导致抗裂纹扩展性降低,致使管道的承载能力降低,这是腐蚀凹坑边缘缺陷集中造成管道失效的主要原因。     

30CrMnSiNi2钢TIG焊接头电化学充氢后扩散氢逸出特征及示踪

高强度钢焊接接头不同区域组织对氢扩散与聚集的影响存在差异,采用显微镜摄影测氢法研究了电化学充氢条件下,30CrMnSiNi2钢TIG焊接头不同区域扩散氢的逸出规律,观察了氢气泡大小及分布特征;采用氢原子微印技术对焊缝区的扩散氢进行了示踪研究,探讨了高强度钢焊接头扩散氢逸出分布特征与低碳钢完全相反的原因,结果表明,30CrMnSiNi2A钢TIG焊接头扩散氢主要聚集在焊缝区及热影响区,焊缝区亚晶界为氢扩散和聚集的优先通道,组织中的内应力场是导致扩散氢聚集的根本原因. 研究结果对于研究焊接接头不同区域组织与扩散氢的关系提出了有益的思路.     

低氢含量工业纯钛循环变形的微观结构Ⅱ.氢化物的溶解和应变诱发氢化物的形成

对均匀弥散分布着γ氢化物的低氢含量的工业纯钛进行循环疲劳试验．发现滑移带能够穿过氢化物的共格界面，使氢化物发生塑性剪切变形．由于位错周围的氢气团能够在位错的拖拽下，随同位错一起运动．所以位错的运动能够促使氢原子沿滑移带扩散．滑移带穿过氢化物的过程伴随有氢原子沿滑移带的扩散，材料中原有的氢化物在滑移带的冲击下，由于局部的氢原子浓度太低，而重新溶解．同时位错也会带着氢气团在氢化物处塞集，引起氢原子的局部富集；并导致应变诱发氢化物的产生．研究表明这个可逆相变过程由位错运动诱发的氢原子扩散所控制．     

冷拔残余应力应变对钢丝氢扩散过程的影响

利用有限元法对高强度珠光体钢丝冷拔残余应力应变进行有限元分析,在此基础上利用有限差分法计算应力应变同时诱导下的氢扩散浓度分布规律,并比较其与只考虑残余应力诱导氢扩散模型所得氢浓度分布规律的不同.结果表明,由于冷拔加工过程中钢丝表面和内部变形速率的差异,冷拔后在钢丝表面产生较大的残余拉应力和大量的塑性应变.残余应力应变的...     

杂质原子的迁移和氢脆开裂

一般认为裂纹材料的氢脆开裂是一个和氢原子扩散有关的过程。在负载条件下,氢原子将从四周扩散到裂纹尖端高应力区,当局部浓度达到临界值即起始开裂。开裂的每一步只能跃进一定距离,当裂纹扩展到氢含量很低的区域便暂时停止,然后,氢原子又再扩散聚集,如此往复,裂纹以不连续开裂方式向前扩展。     

氢在钢铁表面吸附以及扩散的研究现状

氢进入钢铁内部是其发生氢脆的前提,而氢在管线钢表面经历物理吸附、解离、化学吸附、扩散一系列过程才能进入管线钢内部,其中氢原子的化学吸附以及氢扩散是关键步骤。综述了氢在钢铁表面吸附、扩散的研究方法、成果,展望了氢吸附以及氢扩散的研究方向。目前研究氢吸附的主流方法是第一性原理计算。在氢扩散研究方面,试验研究能够分析钢铁组织、相、宏观尺度因素变化对氢扩散的影响;有限元、分子力学、第一性原理多种尺度模拟计算可以分析微区结构变化对扩散的影响。氢在表面的吸附以及表层原子的扩散对氢脆有重要影响,但氢原子在钢铁表面的吸附以及表层扩散主要集中在无缺陷的αFe表面。氢与缺陷的相互作用研究主要集中在体相内部,钢铁表面状态的变化对氢吸附以及表层扩散的影响相关报道较少。需进一步开展在含缺陷钢铁表面的氢吸附研究,阐释表面应力、位错、晶界、相界、合金元素等因素对氢吸附、表层区域氢扩散的影响机理。     

THE MIGRATION OF IMPURITY ATOMS AND HYDROGEN EMBRITTLEMENT CRACKING

<正> 一般认为裂纹材料的氢脆开裂是一个和氢原子扩散有关的过程。在负载条件下,氢原子将从四周扩散到裂纹尖端高应力区,当局部浓度达到临界值即起始开裂。开裂的每一步只能跃进一定距离,当裂纹扩展到氢含量很低的区域便暂时停止,然后,氢原子又再扩散聚集,如此往复,裂纹以不连续开裂方式向前扩展。     

拉应力作用下X80管线钢预制长槽缺陷周围局部腐蚀行为

目的评价在应力作用下,土壤中管道长槽缺陷周围的腐蚀速率。方法采用有限元方法分析了100%屈服应力下,X80管线钢垂直于应力方向的长槽形人造缺陷周围的应力分布。采用扫描电化学显微镜技术(SECM)测试了100%屈服应力下,库尔勒土壤模拟溶液中预浸40天的X80管线钢试件人造缺陷附近的腐蚀电化学活性,通过电流场模型和法拉第定律计算并估计了人造缺陷端部应力集中区和缺陷两侧在库尔勒土壤中的腐蚀速率。结果外加应力下,长槽形预制缺陷端部产生应力集中,缺陷两端局部应力达到试件所施加应力的2～3.4倍。在土壤模拟溶液中,缺陷端部应力集中区为阳极区,缺陷两侧低应力区为阴极区。预制缺陷端部应力集中区域作为阳极,有腐蚀加速的趋势,存在点蚀倾向。结论在拉应力作用下,库尔勒土壤模拟溶液中X80钢缺陷端部平均腐蚀速率可达0.12 mm/a,点蚀速率可达0.9～1.7 mm/a,分别为自然腐蚀速率的1.25倍和9.4～17.7倍,即在应力集中位置更易发生点蚀。     

模拟煤制气环境下X80管线钢及HAZ的氢脆敏感性

煤制气中含有一定量的氢气,氢致失效成为输送管线的潜在问题,HAZ的存在增加了氢脆失效的敏感性. 选用X80钢,通过焊接热模拟制备了HAZ试样. 采用高压煤制气环境下的拉伸试验对比研究了X80钢及HAZ各区的氢脆敏感性. 结果表明,经模拟煤制气环境充氢后,X80钢及HAZ各区的性能均稍有降低,氢对材料的性能有一定影响. 粗晶区的氢脆敏感性最高,结合金相和电子背散射衍射分析发现,主要是由于粗晶区在高温作用下发生晶粒长大,致使大角度晶界减少,氢的扩散速率及其在裂纹尖端的富集程度增加,止裂性能变差,断口呈明显的脆性断裂特征.     

X70管线钢交流腐蚀的影响因素

通过交流腐蚀模拟试验研究了交流电流密度、防腐蚀层的缺陷面积和缺陷形状对X70管线钢交流腐蚀的影响。结果表明:交流干扰下,随交流电流密度的增大,X70管线钢的腐蚀速率增大;相同的交流干扰电压下,缺陷面积越小,通过X70管线钢的交流电流密度越大,腐蚀速率越大;在圆形和不同长宽比的矩形这几种缺陷形状中,长宽比为10∶1长条形缺陷处腐蚀速率最大,矩形缺陷处交流腐蚀速率随缺陷长宽比增大而略微增大。     

含腐蚀缺陷管道 安全评价准则选择探讨

外腐蚀是威胁管道安全的重要因素,极易导致管道泄漏或失效断裂事故.我国长输管道全面实施完整性管理,应根据管道历史失效事件,开展管道剩余强度评价与剩余寿命预测,确定不同类型缺陷的可接受准则.阐述了国际通用的管道缺陷安全评价标准,分别是ASME B31G、修正的ASME B31G、BS7910、DNV-RP-F101和PCO...     

外加电位对X70管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中应力腐蚀开裂敏感性的影响

采用慢应变速率拉仲试验(SSRT)研究了不同外加电位下X70管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)行为,并用扫描电镜分析了不同电位下的断面形貌.结果表明,X70管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中具有SCC敏感性;在Ecorr附近施加弱极化时,应力腐蚀开裂敏感性增加;施加强阳极电位时,发生强烈阳极溶解,导致阳极溶解断裂;施加强阴极电位时,析氢过程加强,导致氢致应力腐蚀断裂.     

氢对X80钢焊接接头在近中性pH值溶液中腐蚀行为的影响

采用动电位极化和电化学阻抗技术研究了电化学充氢后X80钢母材和焊缝在近中性pH值溶液中的电化学行为,并结合光学显微镜对试样充氢前后的形貌进行了观察,测量了母材和焊缝的放氢量。结果表明,电化学充氢并没有改变钢的组织结构;相同电化学充氢条件下,焊缝比母材吸收更多的氢。在近中性pH值溶液中,未充氢时母材比焊缝有更好的耐蚀性能。充氢促进母材和焊缝在近中性pH值溶液中的阳极溶解。随充氢时间增加,母材和焊缝的自腐蚀电位负移,腐蚀电流增大,腐蚀产物膜电阻和极化电阻减小,母材与焊缝电化学腐蚀行为均加剧。充氢后焊缝中位错缺陷浓度高,对氢起钉扎作用的,使焊缝的耐蚀性大于母材。     

Mechanical degradation of API X65 pipeline steel by exposure to hydrogen gas

Hydrogen-induced degradations have generally been investigated through the ex situ testing of cathodically hydrogen-charged specimens. However, the cathodic charging cannot realize damage accumulation by gaseous hydrogen in transportation pipelines. Thus, we designed an ampule specimen which enables an in situ tensile test containing gaseous hydrogen. Ampule specimens made of API (American Petroleum Institute) X65 pipeline steel showed significant reductions of 3.4 % and 4.1 %, respectively, in their ultimate tensile strength and fracture strain after exposure to 20 MPa of hydrogen gas. The resulting fracture surface showed quasi-cleavage perpendicular to the loading direction and a fracture thickness close to the initial wall thickness, significantly different from the complex dimples and highly reduced fracture thickness by shear deformations in nitrogen gas and air environments.     

外加电位下X80双相管线钢在模拟沿海土壤环境中的应力腐蚀行为

采用交流阻抗谱、极化试验、慢应变拉伸试验研究了不同外加电位下在模拟沿海土壤环境中X80双相管线钢的应力腐蚀行为,对拉伸断口和极化后试样进行SEM表面形貌及能谱分析。结果表明,与慢扫极化(模拟的非裂尖区域)相比,X80双相管线钢快扫极化模拟的裂尖腐蚀电位较负且腐蚀电流较大。-750 mV外加阴极电位处于裂尖自腐蚀电位范围,不足以起到阴极保护的作用,对应力腐蚀仍十分敏感。外加电位为-1050 mV时,阴极反应速率显著大于阳极反应,阴极反应产生的氢被金属吸收且扩散,慢应变拉伸未经颈缩即发生断裂,为准解理断裂。外加阴极电位为-900 mV,阴极电流有效抑制了阳极溶解反应,因此管线钢在模拟沿海土壤溶液中慢应变拉伸抗拉强度和断面收缩率都最高,断口表现为韧性断裂,侧面裂纹细小,阻抗模值最大,应力腐蚀敏感性最小。     

Synergistic Effects of Hydrogen and Stress on Corrosion of X100 Pipeline Steel in a Near-Neutral pH Solution

In this work, scanning vibrating electrode technique and local electrochemical impedance spectroscopy measurements were used to investigate the effects of stress and hydrogen on electrochemical corrosion behavior of a X100 pipeline steel in a near-neutral pH solution. The stress distribution on the test specimen was calculated using the finite element method. Results demonstrated that the hydrogen-charging enhances the local anodic dissolution of the steel, contributing to the formation of a layer of corrosion product. However, there is little difference of the charge-transfer resistance between the regions with and without hydrogen-charging due to rapid diffusion of hydrogen atoms throughout the specimen with time. When the local stress concentration is not significant enough to approach the yielding strength of the steel, the steel is still in a relatively stable state, and there is a uniform distribution of dissolution rate over the whole surface of the steel specimen. Although the stress-enhanced activation is not sufficient to result in an apparent difference of current density of the steel, the activation of the steel would activate dislocations, which serve as effective traps to the charged hydrogen atoms. With the increase of hydrogen concentration, the hydrogen-enhanced anodic dissolution becomes dominant.     

X70管线钢在硫酸盐还原菌作用下的应力腐蚀开裂行为

目的油气管输中X70钢的应力腐蚀开裂问题日趋严重,而且土壤环境中微生物腐蚀现象备受关注,因此拟通过实验室模拟土壤环境下X70管线钢的腐蚀,获得高强度管线钢在硫酸盐还原菌作用下的应力腐蚀开裂规律。方法采用自制的应力电化学测试装置,通过慢应变速率拉伸试验(SSRT)对材料的应力腐蚀敏感性进行分析,利用交流阻抗以及扫描电镜(SEM)对断口形貌以及生物膜的成分进行研究。结果当应变速率为5×10~(-7)s~(-1)时,无菌模拟溶液中试样的应力腐蚀敏感性远大于含SRB模拟溶液中试样的应力腐蚀敏感性,SRB的存在对X70管线钢应力腐蚀起到很大程度的促进作用。当应变速率为1×10~(-6)s~(-1)时,SRB对于X70管线钢应力腐蚀敏感性的影响较小,断裂主要由力学因素主导,SRB起辅助作用。结论 X70管线钢在沈阳土壤模拟溶液中具有一定的应力腐蚀敏感性。SRB对于X70管线钢在沈阳土壤模拟溶液中的应力腐蚀起到一定程度的促进作用。