CC BY
14
UDC 621.644:620.193.7
Effect of density of electrochemical hydrogen charging current on hydrogen damage of X80 pipeline steel in near-neutral soil environment
Yan Han12*, Juntao Yuan12, Anqing Fu12, Chunyong Huo12
1 State Key Laboratory for Performance and Structure Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials, Xi'an, Shaanxi 710077, China
2 CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi'an, Shaanxi 710077, China * E-mail: hanyan003@cnpc.com.cn
Keywords:
X80 steel,
negative interference, current density, hydrogen embrittlement susceptibility.
At present, China is the country with the largest number of the high-voltage direct current (HVDC) transmission projects, the longest transmission distance, and the highest voltage level in the world. Until 2020, China have completed 38 DC transmission projects with length of 5,23 104 km [1, 2]. With the rapid development of oil and gas pipelines and HVDC transmission projects, the interference of HVDC transmission systems on pipelines has gradually been exposed [3]. When the HVDC operates in unipolar way, the value of the current leaking away into the ground is the output current in the transmission line, and its magnitude can reach thousands of amperes in the actual process [4]. The positive interference of HVDC transmission on the pipeline will accelerate the corrosion of the pipeline, while the negative interference will cause the anti-corrosion coating of the pipeline to peel off and even cause hydrogen damage, thereby affecting the safe operation of the oil and gas pipeline. With the improvement of the steel grade of the transmission pipeline, the hydrogen damage of the pipeline caused by the negative interference of HVDC has attracted more and more attention from domestic and foreign researchers.
X80 pipeline steel exhibits obvious brittle characteristic under the current density of -0,1.. .0,5 mA/cm2 [5-7]. Li Kai et al. studied the sensitivity to hydrogen embrittlement of X80 steel under the -10 mA/cm2 current density interference. It concluded that the hydrogen embrittlement susceptibility index of X80 steel is close to 25% after the total interference time reaches 4 h under the interval interference condition [8]. Shen Yi, et al. [9], Liu Zhiyong, et al. [10] have studied the stress corrosion cracking (SCC) susceptibility of X80 pipeline steel under different protection potentials.
However, the existing research still lacks the research on the hydrogen damage behavior under the large negative current interference caused by HVDC interference, and the related damage behavior and damage mechanism are still unclear.
In this work, we investigated hydrogen damage of X80 steel in NS4 solution by in-situ tensile testing under large charging current from -10.-50 mA/cm2, in order to elucidate the effect of different current density and the characteristic of X80 steel fracture.
Abstract. Hydrogen damage of X80 pipeline steel under different current density interference was studied by in-situ hydrogen-charged axial tensile test aiming to investigate the buried pipelines damage caused by unipolar grounding during the high-voltage direct current transmission. The fracture characteristics of the tensile specimen were observed by a scanning electron microscope. The results show that X80 steel has obvious ductility loss under the large negative current interference and a certain tensile speed. The hydrogen embrittlement susceptibility rose as the interference current density increased. The hydrogen embrittlement sensitivity of X80 steel is greater than 35% when the interference current intensity reaches 20 mA/cm2, then X80 steel enters a brittle fracture range.
Experimental methods
The test specimen was taken from X80 longitudinal submerged arc welded (LSAW) pipeline with a specification1 of 01422*25,7 mm. The chemical composition of X80, wt. %, is: C - 0,045; Si -0,20; Mn - 1,65; P - 0,0069; S - 0,0015; Cr - 0,21; Mo - 0,16; Ni - 0,27; Nb - 0,070; V - 0,0049; Ti - 0,018; Cu - 0,014; B - 0,0002; Al - 0,026; N - 0,0050; Fe - balance. The microstructure of the test specimen is granular bainite + polygonal ferrite, the grain size grade is 11.0 units according to ASTM E112-13, and the non-metallic inclusion grade is A0.5, B0.5, D0.5 according to GB/T 13298-2015, and ASTM E45-18a standards.
In-situ hydrogen-charging axial tensile testing was carried out on the MTS electronic tensile testing equipment, using a rod-shaped specimen (as shown in fig. 1), with a length of 101 mm, section diameter of 6,35 mm, and a gauge length of 25,4 mm. Before the test, the gauge length section of the sample should be polished to a mirror surface, and the non-gauge length section should be covered with silica gel to prevent contact with the test solution during the test.
The test solution was a near neutral simulated soil solution NS4, and its chemical composition, g/l, was: NaHCO3 - 0,483; KCl - 0,122, CaCl22H2O - 0,181; and MgSO47H2O - 0,131. The solution was prepared with deionized water and analytical pure chemical reagents, and the pH value was about 7.
The sample was fixed in the electrolytic cell, and then clamped on the electronic tensile equipment. The prepared test solution was poured into the electrolytic cell, and the DC power supply was connected with the sample and the auxiliary electrode through a copper wire. During the test, the constant current output was used to regulate the hydrogen charging current density, and at the same time to apply a constant displacement speed of 0,1 mm/min to the sample until the sample fractured. To measure the hydrogen embrittlement sensitivity of the sample after test, one was to calculate the hydrogen embrittlement sensitivity index (/hE):
Y -Y
I = ° .100%,
HE ^ ,
Fig. 1. Specimen for axial tensile test
hydrogen charged sample, %. Scanning electron microscope was used to observe the fracture morphology of the tensile sample to clarify the characteristics of the fracture.
Results and discussion
Influence of different interference current densities. The stress-displacement curve and tensile strength of X80 steel under different interference current densities are shown in fig. 2. As the interference current density increases,
& 700
8 600 сл
500
400 300 200 100
0
>5
\V
Current density, mA/cm2 — 0 — 10 — 20 — 30 40 — 50 I I I
1
f fh r-
0
4 5 6 7 Displacement, mm
(1)
a635
M
Я 630
en625
н
620
615
610
where is the reduction of area of the uncharged sample, %; and is the reduction of area of the
Outside pipe diameter x wall thickness.
30 40 50 Current density, mA/cm2
Fig. 2. Stress-displacement curve (a) and tensile strength under different interference current densities (b) for X80 steel
a
b
the stress-displacement curve of the X80 sample has a slight change, and the overall tensile strength shows a downward trend, but the maximum value of the decrease is only 21 MPa. The effect of external current interference on the strength of the sample is not significant.
Reduction of area and hydrogen embrittlement sensitivity index of X80 steel under different interference current densities are shown in fig. 3. It can be seen that with the increase of interference current density the reduction of area of X80 sample is significantly reduced, and the IHE goes up greatly. When the current density is greater than 20 mA/cm2, the IHE is more than 35%, X80 steel has entered the brittle fracture zone, the risk of hydrogen embrittlement is great according to common division criterions in engineering: IHE > 35% - brittle fracture zone, 25% < IHE < 35% - dangerous zone, IHE < 25% -safe zone to judge.
Observation of fracture morphology. Low-magnification photographs of the X80 tensile fracture under different interference current densities are shown in fig. 4. The fracture of the X80 sample has changed from a cup-shaped ductile fracture (see fig. 4a) to a jagged brittle fracture (see figs. 4b-f) under the effect of external current interference.
The microscopic morphology of the fracture has changed from a simple dimple-like morphology to a fracture morphology in which dimples and cleavage/quasi-cleavage features
coexist, as shown in fig. 5. It is generally believed that if there are microcracks (secondary cracks) on the sidewall of the tensile fracture in corrosive media, it indicates that the material is sensitive to SCC [11]. Compared with the slip-line on the sidewall of the un-interfered fracture, a large number of stepped microcracks appeared on the sidewall of the interfered fracture (fig. 6). The interference of external current causes hydrogen evolving on the surface of the sample. The resulting hydrogen can form either blisters in the sub-surface region or gaseous methane in the interior [12]. It should be also considered that surface cracks forming during the deformation further enhance the hydrogen uptake by increasing the available free surface area [13]. A certain stretching rate supply low deformation rates, and the low dislocation velocities help hydrogen atoms enter into the sample, which leads to the nucleation of cracks near the surface of the sample [14]. When the concentration of hydrogen inside the sample
reaches a certain degree, then cracking occurs.
***
The effect of different current density interference on X80 steel was investigated in the NS4 solution by tensile testing under in-situ hydrogen charging. Embrittlement occurred on X80 steel by strong current interference under slow tensile speed. The hydrogen embrittlement susceptibility rose as the interference current density increased. The hydrogen embrittlement
£ 90 80 70 60 50 40 30
ОЧ.
£ 60
10 20 30 40 50 Current density, mA/cm2
a
10 20 30 40 50
Current density, mA/cm2
Fig. 3. Reduction of area (a) and hydrogen embrittlement sensitivity index (b) of X80 steel under different interference current densities
0
Fig. 4. Low-magnification (50*) photos of X80 tensile fracture under different interference current densities, mA/cm2: 0 (a); 10 (b); 20 (c); 30 (d); 40 (e); 50 (f)
Fig. 5. The microscopic morphology of X80 tensile fracture under different interference current densities, mA/cm2: 0 (a); 10 (b); 20 (c); 30 (d); 40 (e); 50 (f)
Fig. 6. The microscopic morphology of the sidewall on X80 tensile fracture, mA/cm2: 0 (a); 30 (b)
sensitivity of X80 steel is greater than 35% Acknowledgments
when the interference current intensity reaches This work was supported by the National Key R&D 20 mA/cm2, then X80 steel enters brittle fracture Program of China (2016YFC0802101), and the
range.
Scientific Research & Technology Development Project of CNPC (2019D-5009-13).
References
1. CAO, J.-Z., H. GUO, X.-G. WEI. Development of smart grid and HVDC transmission =
Smart Grid, 2013, vol. 1, no. 2, pp. 1-6, ISSN 2095-5944. (Chin.).
2. STATE GRID CORPORATION OF CHINA. Opinions of the State Grid Corporation on the transformation of power grid development and acceleration of power grid construction = H^fe
«fera
ISËil. 2008. (Chin.).
3. JIANG, Z., Sh. DONG, G. LIU, et al. Research progress on interference on the pipeline caused by HVDC transmission = ^ffiffiti^feM^
Equipment
Environmental Engineering, 2021, vol. 18, no. 4, pp. 9-18, ISSN 1672-9242. (Chin.).
4. SUN, J., G. CAO, Ch. HAN, et al. Influence
of HVDC transmission system ground electrode on West-East gas pipeline =
Corrosion and Protection, 2017, vol. 38, no. 8, pp. 631-636, ISSN 1005-748X. (Chin.).
5. HARDIE, D., E.A. CHARLES, A.H. LOPEZ. Hydrogen embrittlement of high strength pipeline steels. Corrosion Science, 2006, vol. 48, no. 12, pp. 4378-4385, ISSN 0010-938X.
6. ZHANG, T.M., W.M. ZHAO, W. GUO,
et al. Hydrogen permeation behavior through HSLA steels and its implications on hydrogen embrittlement susceptibility. Applied Mechanics and Materials, 2013, vol. 302, no. 8, pp. 310-316, ISSN 1660-9336.
7. ELBOUJDAINI M., R.W. REVIE, M. ATTARD. Effects of cathodic protection on cracking of high strength pipeline steels. In: Proc. of the ASME International pipeline Conference. Calgary: ASME, 2010, pp. 683-697.
8. LI Kai, Qinglin GU, Yongtao JIANG, et al. Hydrogen embrittlement of X80 pipeline steel under negative interference of UHVDC discharge environment =
Corrosion
and Protection, 2020, vol. 41, no. 4, pp. 28-32, ISSN 1005-748X. (Chin.).
9. YI, Sh., R. WANG, G. REN, et al. Stress corrosion susceptibility of X80 pipeline steel under cathodic protection in near neutral environment = X80^^
ft. Corrosion and Protection, 2015, vol. 48, no. 5, pp. 42-45. (Chin.).
10. LIU, Z., Ch. WANG, C. DU, et al. Effect
of applied potentials on stress corrosion cracking of X80 pipeline steel in simulated yingtan soil solution[J] =
Acta
Metallurgica Sinica, 2011, vol. 47, no. 11, pp. 1434-1439, ISSN 1006-7191. (Chin.).
11. CHU, W.Y., L.J. QIAO, Q.Z. CHEN. Fracture and environmental fracture = WS^^ftWS. Beijing: Science Press, 2000. (Chin.).
12. TIWARI, G.P., A. BOSE, J.K. CHAKRAVARTTY, et al. A study of internal hydrogen embrittlement of steels. Materials science and engineering:
A, 2000, vol. 286, no. 2, pp. 269-281, ISSN 0921-5093.
Влияние плотности тока электрохимического наводороживания на водородное повреждение трубной стали X80 в почвах, близких к нейтральным
Янь Хан1,2*, Цзюньтао Юань1,2, Аньцин Фу1,2, Чуньюн Хо1,2
1 Государственная головная лаборатория по свойствам и структурной надежности трубной продукции и материала оборудования, используемых в нефтяной промышленности, Китай, 710077, Шэньси, Сиань
2 Научный институт трубной продукции Китайской национальной нефтяной корпорации, Китай, 710077, Шэньси, Сиань
* E-mail: hanyan003@cnpc.com.cn
Ключевые слова: сталь X80, отрицательная поляризация, плотность тока, подверженность водородному охрупчиванию.
В настоящее время Китай является лидирующей страной в мире по количеству проектов передачи постоянного тока высокого напряжения (англ. high-voltage direct current, далее - HVDC), протяженности линий электропередачи, а также уровню используемого напряжения. К 2020 г. Китай реализовал 38 проектов передачи электроэнергии постоянным током общей протяженностью 5,23 104 км [1, 2]. Учитывая стремительное развитие нефтегазовой промышленности и проектов HVDC, необходимо заострить внимание на постепенном росте влияния систем HVDC на трубопроводы [3]. Когда HVDC эксплуатируются в однополяр-ном режиме, сила утекающего в землю выходного тока линии электропередачи может достигать тысяч ампер [4]. Положительная наведенная поляризация трубопровода от линий передачи HVDC ускорит коррозию трубопровода, в то время как отрицательная поляризация приведет к облупливанию противокоррозионного покрытия и даже к водородному повреждению, таким образом создавая угрозу безопасной эксплуатации нефте- или газопровода. С повышением категории прочности стали перекачивающих трубопроводов водородные повреждения, связанные с отрицательной поляризацией от HVDC, стали привлекать все большее внимание ученых как в Китае, так и за рубежом.
Трубопроводная сталь X80 демонстрирует очевидную склонность к охрупчиванию при плотности тока -0,1...0,5 мА/см2 [5-7]. Ли Кай и др. [8] изучили склонность к водородному охрупчиванию стали X80 при плотности тока поляризации -10 мА/см2. В работе сделан вывод о том, что фактор восприимчивости к водородному охрупчиванию стали X80 приближается к 25 %, как только время поляризации составляет 4 ч в условиях интервальной поляризации. Шень И. и др. [9], Лю Чжиюн и др. [10] изучили подверженность коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) стали X80 при различных значениях потенциала катодной защиты.
Однако во всех проведенных исследованиях не хватает информации о водородных повреждениях при больших отрицательных значениях тока поляризации, вызванного HVDC. Таким образом, поведение и механизм возникновения такого повреждения трубопровода до сих пор остаются неясными.
Авторы изучили водородные повреждения стали X80 в растворе NS4 путем проведения испытаний на растяжение при высоких значениях зарядного тока в диапазоне -10.-50 мА/см2, чтобы выяснить, как влияет плотность поляризующего тока на природу повреждения стали X80.
Эксперимент
Исследуемый образец был вырезан из прямошовной трубы 01422x25,7 мм, сваренной методом дуговой сварки под флюсом из стали категории прочности Х80, имеющей следующий химический состав, % масс.:
13. TARZIMOGHADAM, Z., D. PONGE,
J. KLOWER, et al. Hydrogen-assisted failure in Ni-based superalloy 718 studied under in situ hydrogen charging: The role of localized deformation in crack propagation. Acta Materialia, 2017, vol. 128, pp. 365-374, ISSN 1359-6454.
14. FOURNIER, L., D. DELAFOSSE, T. MAGNIN. Cathodic hydrogen embrittlement in alloy 718. Mater. Sci. Eng.: A, 1999, vol. 269, pp. 111-119.
C - 0,045; Si - 0,20; Mn - 1,65; P - 0,0069; S - 0,0015; Cr - 0,21; Mo - 0,16; Ni - 0,27; Nb - 0,070; V - 0,0049; Ti - 0,018; Cu - 0,014; B - 0,0002; Al - 0,026; N -0,0050; баланс Fe. Микроструктура исследуемого образца: зернистый бейнит+полигональный феррит, размер зерна 11,0 в соответствии с ASTM-E112-13, классы неметаллических включений A0.5, B0.5, D0.5 согласно стандартам GB/T 13298-2015 и ASTM E45-18a.
Осевые испытания на растяжение наводорожен-ных образцов проводились на электронном испытательном оборудовании компании MTS Systems с использованием цилиндрических образцов (см. рис. 1, с. 49)2 длиной 101 мм, диаметром сечения 6,35 мм и длиной испытываемой части 25,4 мм. Перед экспериментом поверхность испытываемой части образца была отполирована до зеркального блеска, а оставшаяся часть образца покрыта силикатным гелем, чтобы предотвратить контакт с контрольным раствором во время испытания.
Контрольный раствор представлял из себя модельный почвенный раствор NS4, близкий по характеристикам к нейтральному, со следующим химическим составом, г/л: NaHCO3 - 0,483; KCl - 0,122; CaCl22H2O - 0,181; MgSO47H2O - 0,131. Раствор был приготовлен на основе дистиллированной воды и чистых химических реагентов. Значение pH составило примерно 7.
Для проведения испытаний на растяжение образец фиксируют в электролитической ячейке и закрепляют в электромеханической испытательной машине для растяжения. Далее в электролитическую ячейку наливают контрольный раствор, подсоединяют источник питания постоянного тока, а также вспомогательный электрод к образцу через медный провод. В ходе испытаний выходным постоянным током регулируют плотность тока наводороживания и поддерживают постоянную скорость деформации образца на уровне 0,1 мм/мин вплоть до образования трещины.
Для прогноза чувствительности образца после испытания по формуле (1) (см. с. 49)3 рассчитывают коэффициент чувствительности к водородному охрупчиванию (ZHE). Морфологию излома образца при испытании на растяжение оценивают с применением сканирующего электронного микроскопа.
Результаты и обсуждение
Влияние плотности тока поляризации. Корреляция напряжения, деформации и прочности на растяжение для стали X80 при различных значениях плотности тока поляризации показана на рис. 2 (см. с. 49)4. По мере увеличения плотности
2 Рис. 1. Образец для осевого испытания на растяжение.
3 Здесь: - сужение площади незаряженного образца, %; TH - сужение площади наводороженного образца, %.
4 Рис. 2. Зависимость напряжения от деформации (a) и прочность на растяжение при различных значениях плотности тока поляризации (b) для стали класса X80: англ. stress, MPa - напряжение, МПа; англ. displacement, mm - деформация, мм; англ. tensile strength, MPa - предел прочности на разрыв, МПа; англ. current density, mA/cm2 - плотность тока, мА/см2.
наведенного тока, кривая зависимости напряжения от деформации образца постепенно меняется (см. рис. 2а), а общий предел прочности на растяжение имеет тенденцию к понижению, однако максимальное снижение составило всего 21 МПа. Воздействие внешнего поляризующего тока на прочность образца незначительно.
Зависимость сужения площади образца стали Х80 и коэффициента ее чувствительности к водородному охрупчиванию от плотности тока по-ляризизации показана на рис. 3 (см. с. 50)5. Можно увидеть, что с увеличением плотности тока поляризации площадь образца сужается существенно меньше, а коэффициент /ш стремительно увеличивается. Когда плотность тока превышает 20 мА/см2, показатель 1НЕ составляет более 35 %, сталь Х80 начинает входить в область хрупкого излома, а риск водородного охрупчивания считается высоким согласно стандартным инженерным критериям: 1НЕ > 35 % -зона хрупкого излома, 25 % < /ш < 35 % - опасная зона, 1НЕ < 25 % - безопасная зона.
Изучение морфологии излома. Фотографии (50*) разрушения образца стали Х80 при растяжении для различных показателей плотности тока поляризации показаны на рис. 4 (см. с. 51)6. Под воздействием внешнего тока излом образца Х80 изменился с чашеобразного нехрупкого (см. рис. 4а) на зубчатый хрупкий (см. рис. 4Ь-1}.
Микроскопическая морфология излома изменилась с простой ямочной на трещиноватую, где сосуществуют впадины и расколы, квазирасколы (см. рис. 5, с. 52)7. Обычно считается, что если в коррозионной среде на торце излома растяжения есть микротрещины (вторичные трещины), то это свидетельствует о чувствительности материала к КРН [11]. В сравнении с линией скольжения на торце излома, где не было воздействия, на торце излома, подвергшегося воздействию, появилось большое количество многоярусных микротрещин (см. рис. 6, с. 53)8. Влияние внешнего тока вызывает выделение водорода на поверхности образца. Водород может способствовать образованию вспучиваний под поверхностью или газообразного метана во внутреннем пространстве [12]. Следует также принять во внимание, что трещины на поверхности образца, возникающие в ходе его деформации, в дальнейшем усиливают наводороживание за счет увеличения доступной поверхности раздела
5 Рис. 3. Сужение площади (а) и коэффициент чувствительности к водородному охрупчиванию (Ь) стали Х80 при различных значениях плотности тока поляризации.
6 Рис. 4. Пятидесятикратно увеличенные фотографии разрушения образца стали Х80 при растяжении для различных показателей плотности тока поляризации, мА/см2: 0 (а); 10 (Ь); 20 (с); 30
40 (е); 50 (^
7 Рис. 5. Микроскопическая морфология излома образца стали Х80 при растяжении для различных показателей плотности тока поляризации мА/см2: 0 (а); 10 (Ь); 20 (с); 30 40 (е); 50
8 Рис. 6. Микроскопическая морфология торца излома образца стали Х80 при растяжении 0 мА/см2 (а)
и 30 мА/см2 (Ь).
между металлом и газом [13]. Определенная скорость растяжения «питает» низкую скорость деформации, которая, в свою очередь, способствует попаданию атомов водорода в образец, что приводит к зарождению трещин вблизи поверхности образца [14]. Когда концентрация водорода внутри образца достигает определенного значения, начинается растрескивание.
***
Авторы изучили влияние различных показателей плотности тока поляризации на сталь Х80 в растворе №4 на основе испытания образцов на растяжение при местном наводороживании. Охрупчивание стали Х80 произошло при большом
поляризующем токе и низкой скорости растяжения. Чувствительность к водородному охрупчива-нию возрастала с увеличением плотности поляризующего тока. Чувствительность к водородному охрупчиванию стали Х80 превышает 35 %, когда плотность тока поляризации достигает 20 мА/см2, и тогда сталь Х80 начинает входить в область хрупкого излома.
Благодарность
Работа выполнена в рамках ключевой национальной научно-исследовательской программы Китая (2016YFC0802101) и программы научно-технологического развития Китайской национальной нефтяной корпорации (2019D-5009-13).
