X100管线钢氢脆敏感性研究

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1、X100管线钢氢脆敏感性研究StudyonthehydrogenembrittlementsusceptibilityofX100pipelinesteel工程领域：材料工程作者姓名：王浩指导教师：徐连勇教授企业导师：梁军教高天津大学材料科学与工程学院二零一七年十二月摘要高强度管线钢因其优异的综合性能被广泛应用于深海油气工程。X100管线钢作为新一代管线钢，其在满足高强度的同时，还具有良好的低温韧性、焊接性和成形性，但也具有很高的氢脆敏感性。同时在制造、铺设和使用过程中将不可避免地使X100管线钢受到人为

2、的或突发的大塑性应变，即预应变，这也会直接影响管线钢的氢脆敏感性。因此，本文以X100管线钢作为研究对象，利用电化学充氢、拉伸试验等手段，研究了氢对X100管线钢的力学性能的影响以及预应变对其氢脆敏感性的影响，并利用声发射、扫描电镜、氢渗透及透射电镜等方法对影响机理进行辅助分析。论文的主要研究内容如下：(1)利用电化学的方法对材料充氢，使得氢原子通过吸附扩散进入试样，改变充氢时间，测试扩散氢浓度，结果表明随着充氢时间的延长，氢浓度逐渐增加，但增加速度逐渐缓慢，同时充氢效率逐渐降低，当充氢时间为12h时，氢

3、浓度为18.77×10-6mol/cm3，氢吸收效率仅为0.000335，为充氢1h效率的1/4。(2)利用电化学充氢与拉伸试验和断裂韧性试验相结合的方法研究了氢对X100管线钢的力学性能的影响，结论如下：随着充氢时间的增加，X100管线钢的屈服强度和抗拉强度都随之减小，充氢12h后二者分别降低了3%和9%。断裂韧性也随之降低，在空气中管线钢表现出良好的韧性，CTOD值为0.72mm，充氢12h时降低到了0.06mm。声发射信号表明氢会促进材料的塑性变形和裂纹的起裂。(3)预应变前后的X100管线钢的氢脆

4、敏感系数均随充氢时间的增加而增大，说明充氢时间越长，氢脆损伤越强。同时，在相同充氢时间下，随着预应变的增加，氢脆敏感系数增大，未预应变X100管线钢充氢6h的氢脆敏感系数为40.24%，2%预应变时增大到了49.26%，说明预应变加速材料的氢脆破坏。(4)对预应变前后的X100管线钢进行氢渗透试验，结果表明氢的扩散系数随预应变量的增加而逐渐降低，无预应变时为5.45×10-7cm2/s，预应变为3%时，降到了1.21×10-7cm2/s。结合透镜分析可知，塑性应变越大，位错密度越大，充氢过程中，位错作为氢

5、陷阱，对氢有捕获作用，从而减小了氢的扩散系数，增加了氢的吸收量。因此在相同的充氢时间下，氢脆敏感系数随预应变量的增加而增大。关键词:X100管线钢，预应变，氢脆敏感性，声发射，氢渗透IABSTRACTThehighstrengthpipelinesteelsgainmorepopularityintheengineeringconstructionofpetroleumandgaspipelineindeep-seaareasbecauseoftheirexcellentperformance.Asare

6、lativelynewgradepipelinesteel,X100steelpossessesasatisfactorycombinationofstrength,lowtemperaturetoughness,weldabilityandformability.However,increasingstrengthlevelsalsotendtodecreasetheresistanceofsteelstohydrogenembrittlement(HE).Besides,duringtheproces

7、sofmanufacturing,layingandservicingoftheX100pipelinesteel,itisinevitablethatthesteelwillundergoartificialorsuddenlargeplasticstrain,whichiscalledpre-strain.Thepre-strainwillalsoinfluencetheHEsusceptibilityofmaterials.Therefore,inthisarticle,theinfluenceso

8、fhydrogenonthemechanicalpropertiesaswellasthepre-strainontheHEsusceptibilityofX100pipelinesteelwereinvestigatedbycombiningelectrochemicalhydrogenchargingandtensileexperiments.Andthestudyalsotakeadvantageofacousticem