硫化氢腐蚀金属的氢损伤实验研究和裂纹扩展速率损伤机理分析

发布时间：2020-08-08 15:25

【摘要】：金属氢损伤会引发灾难性事故,造成巨大的经济损失。因此,对氢进入金属后导致材料和结构断裂破坏损伤机理的研究十分必要。氢是从许多不同来源进入金属材料的普遍存在的元素。当氢进入金属材料后,将会引起不可逆损伤,降低金属材料的力学性能,如断裂韧性、抗拉强度、延展性等,导致金属的韧性和塑性降低,易使金属在低应力条件下发生开裂和脆断,总是对金属的机械性能产生有害影响,例如,氢致开裂、氢致滞后断裂断裂和氢脆。关于氢致金属力学性能恶化的基本规律的认识还是统一的,但关于氢对力学性能影响的描述方面,至今仍以实验为主,模型多为数据拟合模型,难以用理论的方法得到定量关系。因此,本文采用实验测试和理论分析相结合的方法,系统的对氢进入金属后材料的力学性能进行了表征,得到了氢损伤定量评价的方法,揭示了氢损伤影响材料性能的本质和规律。本课题的研究对于实际工程中材料氢损伤的控制和防范具有重要的参考价值。论文的研究工作主要包括以下几方面:(1)提出了一种金属中氢损伤分布的测试方法,该方法是用显微硬度仪对不同条件下金属中氢损伤的分布规律进行测试。采用圆柱试样的逐层显微硬度法和螺栓加载改进型WOL试样裂纹尖端非均匀应力场的显微硬度测试法,系统的研究了不同腐蚀浓度、不同腐蚀时间及不同外加应力条件下氢在金属中的分布行为。(2)进行了腐蚀前后金属材料的裂纹扩展速率的实验研究,得到了不同环境、不同腐蚀时间,不同应力比作用下裂纹扩展速率曲线,通过分析不同条件下裂纹扩展速率参数的变化特征,讨论了氢损伤改变材料力学性能的本质。(3)进行了腐蚀前后金属材料拉伸性能和断裂韧性的实验研究,分析了氢损伤对金属强度指标、弹性指标、塑性指标、裂纹扩展阻力曲线和断裂韧性等方面的影响。(4)应用弹塑性断裂力学方法探讨裂纹尖端塑性区的氢损伤行为。然后结合腐蚀前后材料单调加载、一次性加载和周期加卸载情况下材料力学性能的变化,分析了裂纹尖端塑性区的氢损伤作用机理。论文的主要研究成果包括:(1)通过不同硫化氢腐蚀条件下氢损伤沿深度方向致金属显微硬度增量变化的特点,得到了非饱和状态下金属内氢损伤分布趋势。金属中的氢损伤存在一个饱和状态,该饱和状态与金属中氢的固溶度一致。氢进入金属后,沿深度方向金属中出现了含氢饱和层,并且随腐蚀时间的增加含氢饱和层的厚度增大,说明金属中氢损伤饱和状态随腐蚀时间的增加而增加。含氢饱和层以后,金属中氢含量沿深度方向逐渐降低直至零,变化趋势跟相同时间的理论分布曲线一致。含氢饱和层的厚度不受腐蚀浓度的影响,仅受腐蚀时间的影响。(2)基于不同硫化氢腐蚀条件下氢损伤沿深度方向分布的趋势,得到了非饱和状态下金属中氢损伤分布模型。对于同一种材料,含氢饱和层厚度与腐蚀时间之间有一定的幂函数关系。由此,建立了一个新的金属中氢损伤分布模型。(3)基于非均匀应力场中氢致金属显微硬度增量变化的特点,得到了双向等轴应力场下氢损伤的分布趋势。理论分析和实验研究结果表明,双向等轴应力场影响的显微硬度增量变化和该应力场对应的氢损伤影响的显微硬度增量变化之间存在简单的叠加关系。(4)基于应力环境中材料的氢损伤分布趋势,建立了双向等轴应力场下氢损伤分布模型。(5)基于氢损伤分布的研究,得到了显微硬度增量的变化可以被用作表征金属中局部区域氢损伤行为的主要参数。理论分析和实验测试结果表明:不仅可以通过逐层显微硬度法准确的定量测量金属中的氢损伤分布行为,而且在已知双向等轴的工程应力环境中,可以通过显微硬度实验测定金属中的氢损伤分布行为。(6)基于硫化氢腐蚀前后不同应力比下金属的裂纹扩展速率并没有产生明显差异,说明了金属材料经氢损伤后产生的裂纹扩展速率改变是因为氢损伤改变了材料的力学性质。(7)基于硫化氢腐蚀前后金属的拉伸性能的变化,进一步证明了氢损伤主要影响金属材料塑性性能。(8)构建了一种裂纹尖端塑性区应变线性分布假设的应力分布分析方法,得到了裂纹尖端塑性区应力分布和应变分布。(9)依据裂纹尖端塑性区应变线性分布方法定性分析了腐蚀氢损伤改变裂纹扩展速率的塑性损伤机理。按照裂纹张开的模式,假设裂纹尖端塑性区的应变沿距裂尖距离减小线性比例增加,则存在金属的塑性性能受氢腐蚀影响下降的同时,材料裂纹扩展需要的最大塑性应变也下降,从而造成了裂纹尖端启裂韧度显著降低,裂纹更容易扩展,一次性加载情况下表现为氢损伤后金属的断裂韧性降低,周期加卸载情况下表现为氢损伤后金属的裂纹扩展速率增大。主要创新点如下:(1)不同腐蚀溶液浓度不同腐蚀浸泡时间的条件下,沿深度方向金属中出现含氢饱和层,并且随腐蚀时间的增加含氢饱和层的厚度增大。含氢饱和层以后,金属中氢含量沿深度方向逐渐降低直至零。含氢饱和层的厚度不受腐蚀浓度的影响,仅受腐蚀时间的影响。双向等轴应力场影响的显微硬度增量变化和该应力场对应的氢损伤影响的显微硬度增量变化之间存在简单的叠加关系。由此证明显微硬度法可以测定在双向等轴的工程应力环境中的氢损伤分布行为。(2)金属经硫化氢腐蚀后不同应力比下的裂纹扩展速率并没有产生明显差异,说明金属材料经腐蚀氢损伤后产生的裂纹扩展速率改变是因为氢损伤改变了材料的力学性质。(3)构建了一种裂纹尖端塑性区应变线性分布假设的应力分布分析方法。依据该方法定性分析了腐蚀氢损伤改变裂纹扩展速率的塑性损伤机理。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG111.91;O346.1
【图文】：

西气东输工程

杂志发布报告称，中国已经超过美国成为全球最大的石油净进口国。全球领先的能源咨询机构 Wood Mackenzier 作出预测，在 2020 年，中国石油日均进口水平将攀升至 920 万桶的水平，这相当于在中国石油总需求中的占比达到 70%。大量进口的中东原油，其含硫量高于国内油田所产石油，对我国油气运输提出了新的挑战。硫化氢导致金属材料突发性的硫化氢应力腐蚀（SSC），造成巨大的经济损失，泄露出硫化氢的毒性也威胁着人身安全。我国的西气东输工程源头塔里木油田，在 2009 年 1～11 月内，管道共泄露 18 次，并且有 6 天之内 3 次紧急抢险的记录。2013 年 11 月 22 日青岛管道爆炸，造成 62 人死、136 人伤，经济损失达7.5 亿，其原因是腐蚀导致钢管破裂，原油泄漏而进一步引起爆炸。2014 年 6 月30 日，大连一条中石油输油主管线泄漏引发爆炸。2015 年 7 月 16 日，山东日照科技有限公司的液化石油气球型储罐起火爆炸，爆炸先后发生三次。2016 年 8 月11 日，湖北省当阳市马店矸石发电有限责任公司热电项目在建调试过程中，高压蒸汽管道破裂，蒸汽外泄，事故已导致 21 人死亡、5 人受伤。

曲线,仪器化,压痕深度,载荷

图 2-1 仪器化压痕实验的载荷-压痕深度曲线ig. 2-1 Schematic of instrumented indentation load displacement c凸起图在测定材料硬度的过程中，在压痕周围实验材触面积在起始面之上延伸，命名为“堆积”。其他时候下，命名为“沉陷”。图 2-2 展示了一个半径为 R 的刚接触几何的穿透深度 h。该图的左侧显示了有材料堆积现象。由于堆积和沉陷，实际投影接触半径 ac和表面投，a 是在原始未变形表面的平面上。类似的，接触深度的接触表面的实际深度，不等于测试材料原始表面的全处接触表面的切线和未变形表面之间的夹角与压头引穿透深度改变。由于弹性恢复，当压痕力移除后，接弹[219]。

圆柱试样

图 2-3 圆柱试样Fig. 2-3 Cylindrical specimen表 2-1 材料的化学成分（质量分数/%）Table 2-1 Chemical compositionC Si Mn S P 0.46 0.27 0.65 0.015 0.01浓度的硫化氢溶液腐蚀不同时间后进蚀的环境为 NACE 规定的标准 A 类腐乙酸的水溶液中通入一定量的硫化氢气的大小，配置溶液中的硫化氢含量分别定法进行滴定，腐蚀时间分别为 24 h、

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