1、天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月收稿日期:2022-06-13基金项目:国家自然科学基金青年项目“W/B4C 纳米多层涂层的界面结构和强韧化机理研究”(51902254)作者简介:程猛猛(1987-)，男，河南商丘人，工程师，硕士，主要从事油气田油气管道管理工作。E-mail:cm07131042 126comL450 钢在不同温度模拟土壤溶液中最大阴极保护电位程猛猛1廖臻1马晓凤2陶文金1马愉1刘乐乐2翁祥1王银强1吴明浩1王晨2吕祥鸿21 中国石油新疆油田油气储运分公司，新疆克拉玛依831100;2 西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065摘要:
2、为深入研究稠油高温管道的阴极保护规律，明确温度对最大阴极保护电位的影响，采用恒电位极化结合慢应变速率拉伸测试(Slow Strain Rate Test)，分析了L450 钢在不同温度模拟土壤溶液中的最大阴极保护电位。采用扫描电镜观测慢应变速率拉伸测试试样的断面形貌，用 X 射线衍射分析试样表面沉积层组分。结果表明:在温度从 20 上升到 60 的过程中，施加相同阴极保护电位时，温度越高，氢含量和氢扩散速率越高，阴极析氢反应增强，更易导致氢脆现象发生;随着温度升高，断面收缩率损失系数越大，L450 钢氢脆敏感性增强，最大阴极保护电位负向移动，从1 200 mV(CSE)降低到1 400 mV(
3、CSE);增大施加阴极保护电位，拉伸断口形貌从典型韧性断裂向脆性断裂特征转变;而当温度升高至 80 时，溶液中 Ca2+离子与 Mg2+离子在 L450 钢表面形成沉积层，降低了氢扩散速率，因此 L450 钢试样断面收缩率损失系数较小，断口为明显的韧性断口形貌，不具有明显氢损伤敏感性，此时，L450 钢的最大阴极保护电位不应超过1 500 mV(CSE)。研究结果可用于评价管道运行环境的阴极保护准则，特别是高温运行管道的阴极保护准则。关键词:慢应变速率拉伸测试;最大阴极保护电位;断面收缩率;恒电位极化DOI:10.3969/jissn1006-5539.2023.01.014Research
4、on the maximum cathodic protection potential of L450steel in simulated soil solution at different temperaturesCHENG Mengmeng1，LIAO Zhen1，MA Xiaofeng2，TAO Wenjin1，MA Yu1，LIU Lele2，WENG Xiang1，WANG Yinqiang1，WU Minghao1，WANG Chen2，LYU Xianghong21 Oil-Gas Storage and Transportation Company，PetroChina X
5、injiang Oilfield，Karamay，Xinjiang，831100，China;2 School of Materials Science and Engineering，Xian Shiyou University，Xian，Shaanxi，710065，ChinaAbstract:In order to study the cathodic protection principle of high temperature heavy oil pipeline inmore depth and clarify the influence of temperature on th
6、e maximum protection potential，the maximumprotection potential of L450 steel in simulated soil solution at different temperatures was analyzed by401腐蚀与防护第41卷第1期CORROSION AND CORROSION PROTECTIONconstant potential polarization combined with slow strain rate test The cross section morphology of thesam
7、ple was observed by scanning electron microscope，and the composition of the deposition layer on thesample surface was analyzed by X-ray diffraction The results show that when the temperature rises from20 to 60 and the same cathodic potential is applied，the higher the temperature，the higher thehydrog
8、en content and hydrogen diffusion rate，the stronger the cathode hydrogen evolution reaction，whichis more likely to cause hydrogen embrittlement With the increase in temperature，the reduction of areaincreases and the L450 steel is more susceptible to the hydrogen embrittlement，while the maximumcathod
9、ic protection potential shift negatively，from 1 200 mV(CSE)to 1 400 mV(CSE)Themorphology of the tensile fracture changes from a typical ductile fracture to a brittle fracture as negativeshift of the negative potential is applied When the temperature rises to 80，a deposition layer of Ca2+and Mg2+ions
10、 formed on the surface of L450 steel，resulting in a reduction in the diffusion of hydrogenTherefore，the reduction of area of L450 steel sample is small，and the resulted fracture is an obviousductile fracture morphology，without exhibiting any obvious hydrogen damage sensitivity In conclusion，themaxim
11、um protective potential of L450 steel should not exceed 1 500 mV(CSE)The result can be usedfor the evaluation of cathodic protection code of pipeline operation conditionsKeywords:Slow Strain Rate Test;Maximum cathodic protection potential;Reduction of area;Potentiometric polarization0前言近几年随着稠油资源的开发，
12、管道输送温度越来越高，在西部典型土壤环境和阴极保护较负电位条件下，析氢过程将受到环境效应的直接影响。管线钢最大的安全隐患就是有着较大的氢脆敏感性、较低的析氢过电位13，因此，高温管道对阴极保护准则提出了更高的要求。尽管 GB/T 214482017 埋地钢质管道阴极保护技术规范4(以下简称 GB/T 214482017)对不同土壤、水环境、温度、酸碱度、防腐层质量、杂散电流干扰等情况下的阴极保护准则进行了说明，详细规定了管道在不同条件下的最小阴极保护电位，同时也指出在高温和高腐蚀环境等特殊条件下，阴极保护参数需要调整，然而目前并没有标准可循，最大阴极保护电位还需进一步研究。在典型土壤环境及阴极
13、保护下，当阴极极化达到一定负电位时，开始发生析氢反应，氢原子扩散进入管线钢内部，管线钢在外力作用下形成裂纹57，是导致金属发生氢脆或氢致开裂的主要原因810。过保护尽管可以将管道的腐蚀速率降至远低于 0.01 mm/a，但会对管道运行产生诸多负面影响，造成严重的安全隐患。因此，根据实际析氢电位对不同材质的管线钢确定最大阴极保护电位至关重要。温度是影响析氢的主要因素，温度通过影响氢的浓度以及氢的扩散速率影响管线钢在不同阴极保护电位下的氢脆敏感性1112。本文采用恒电位极化结合慢应变速率拉伸测试(Slow Strain Rate Test)，对 L450 钢在不同温度模拟土壤溶液中的慢应变速率拉伸
14、曲线和试样断口进行分析和观测，对比不同温度、电位下的断面收缩率和断面收缩率损失系数，讨论温度对 L450 钢腐蚀和阴极保护的影响，根据分析测试结果确定 L450 钢在不同温度时的最大阴极保护电位。与此同时，研究了土壤成分中 Ca2+、Mg2+离子对最大阴极保护电位产生的影响1317，研究结果对现场具有指导意义。2实验方法慢应变速率拉伸测试实验可在较短时间内使材料在应力腐蚀条件下发生延迟断裂，并得出明确结论，是研究材料氢损伤敏感性的常用方法。本文中慢应变速率拉伸实验采用 NL50 试验机，试样预加载荷 1 000 N，拉伸速率 0.003 74 mm/min，试样材质为 L450 钢。参考GB/
15、T 228.12010 金属材料 拉伸试验 第 1 部分:室温试验方法18 对试样进行加工。试验前用 600#、1000#、1500#砂纸将试样逐级打磨，标距段使用 1.5 m颗粒度的抛光膏抛光，丙酮清洗除油后，除标距段外喷绝缘漆备用，采用恒温实验装置和 CS1002 电化学工作站进行实验溶液保温和施加阴极保护。实验温度为 20、40、60、80;根据GB/T 214482017 将阴极保护电位分 别 设 置 为 950 mV(CSE)、1 100 mV(CSE)、1 200 mV(CSE)、1 300 mV(CSE)、1 400 mV(CSE)、1 500 mV(CSE)。参比电极为 Cu/
16、CuSO4(为消除实验过程中温度对此电极的影响，采用饱和 KCl 溶液作为盐桥)，工作电极为拉伸实验棒，辅助电极为铂金电极。实验分别采用土壤模拟溶液和 1%NaCl 溶液，模拟土壤溶液的含盐量与取自西部地区的典型土壤离子成分一致，见表 1。501天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月表 1模拟土壤溶液的含盐量表Tab1Salt content of the simulated soil solution阳离子含量/(molL1)阴离子含量/(molL1)Na+K+Ca2+Mg2+ClSO24HCO23总含盐量/(mg kg1)2.027 2 1035.011043.651044.5621034.81042.75 1048 073.10通过断面收缩率损失系数 I表征氢损伤敏感性指数 Fscc19，断面收缩率损失系数 I计算公式:I=(0)/0 100%(1)式中:I为断面收缩率损失系数;0为试样在空气中的断面收缩率;为试样在阴极保护状态下的断面收缩率。断面收缩率计算公式:=(A0 A)/A0 100%(2)式中:A0为试样原始截面积，m2;A 为拉伸断裂后颈缩处