T-CSCP 0002-2024 管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性電化學(xué)快速評價方法

中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會發(fā)布ElectrochemicalmethodforfastevaluationofSCCsusceptibilit2024年2月26日發(fā)布2024年2月26日T/CSCP0002--2024本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院、北京科技大學(xué)、中國特種設(shè)備檢測研究院和北京安泰信科技有限公司共同提出。本標(biāo)準(zhǔn)由中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口。本標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)起草單位：河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院、北京科技大學(xué)、中國特種設(shè)備檢測研究院和北京安泰信科技有限公司。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：劉智勇，李曉剛，代文賀，王立賢，李寧寧，趙博，孫占遠(yuǎn)，潘悅，孫寶壯，肖陽，劉超，王昱，王同軍。1T/CSCP0002--2024管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的電化學(xué)快速評價方法本文件規(guī)定了管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的電化學(xué)快速評價方法的術(shù)語和定義、原理、評價方法、應(yīng)力腐蝕開裂敏感性電化學(xué)評價參數(shù)和應(yīng)力腐蝕開裂敏感性指數(shù)計算方法等。本文件根據(jù)待評價材料或結(jié)構(gòu)件的快慢掃電化學(xué)測試結(jié)果，獲取相關(guān)評價參數(shù)，計算得到應(yīng)力腐蝕開裂敏感性指數(shù)，從而實現(xiàn)快速地對材料或結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性進(jìn)行評價。本文件適用于現(xiàn)場及實驗室應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的快速評價，適用于海洋、土壤、大氣薄液膜等水相介質(zhì)環(huán)境中服役管線材料的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性評價。本文件適用的管線材質(zhì)包括碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T10123金屬和合金的腐蝕基本術(shù)語及定義；GB/T15970.7金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗第7部分：慢應(yīng)變速率試驗；GB/T24196金屬和合金的腐蝕電化學(xué)試驗方法恒電位和動電位極化測量導(dǎo)則。3術(shù)語和定義GB/T10123、GB/T15970.7界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件：金屬在拉應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下引起的開裂現(xiàn)象。金屬在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生SCC的敏感程度。電極電位以預(yù)先設(shè)定的速度連續(xù)地變化，所測得的電極電位與電流密度關(guān)系的曲線。動電位極化曲線測試過程中電位的變化速率。f）在控電位掃描速率大于50mV/s時特定電位下的極化電流密度。2T/CSCP0002--2024在控電位掃描速率不大于0.5mV/s時特定電位下的極化電流密度。評價金屬應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗，通常在代表性的環(huán)境中以恒定位移速率拉伸試樣至斷裂，然后評價其斷裂敏感性指數(shù)。本文件中應(yīng)變速率≤10-6s-1。SCC是應(yīng)力作用下及金屬在介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)溶解所造成的結(jié)果。SCC過程完全由陰極析氫造成的材料脆化現(xiàn)象。SCC是由陽極溶解和氫脆共同作用導(dǎo)致。本文件中參比電極選用飽和甘汞電極(SCE)。4原理4.1不同電極電位條件下的快掃電流密度if和慢掃電流密度is的差異可以用來評價SCC敏感性?？鞉邥r，試樣表面為新鮮金屬表面，反映了SCC裂紋尖端的電化學(xué)特性。而慢掃曲線處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，電極表面能充分極化，反映了非SCC裂尖等充分極化金屬表面的電化學(xué)特性。4.2根據(jù)快慢掃曲線的相對差異，可將SCC機(jī)制分為如下的區(qū)間：4.2.1如果is＞if＞0，SCC不擴(kuò)展。4.2.2如果if＞is＞0，裂尖新鮮金屬表面的腐蝕速率大于非裂尖區(qū)域，陽極溶解機(jī)制（AD）導(dǎo)致SCC裂紋擴(kuò)展，其SCC敏感性可定量描述為：式中，ISCC為SCC敏感性ka是與電流密度、介質(zhì)以及材料有關(guān)的常數(shù)，I0為if＝is時的名義SCC敏感性。if項表征裂紋生長的速度，if越大，裂尖生長越快。項表征裂尖和非裂尖區(qū)域腐蝕速率的差別，其值越大，裂尖和非裂尖區(qū)的腐蝕速率差別越大，SCC擴(kuò)展越快。4.2.3在混合電位控制條件下，if＞0，is＜0，慢掃電流轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O電流（is＜0快掃電流仍處于陽極區(qū)（if＞0故裂紋尖端為陽極溶解作用，非裂尖區(qū)域為陰極析氫過程，因此SCC由AD和HE共同作用。假設(shè)該機(jī)制下SCC敏感性遵循疊加模型，是AD作用和HE作用的線性疊加，其SCC敏感性表達(dá)式可以寫Iscc=k?e·is+kad·if??1+Iac.................................................（2）3T/CSCP0002--20244.2.5上述三個公式寫成一個為：Iscc=k?e·ad、kc是與電流密度、介質(zhì)以及材料有關(guān)的常數(shù)。is、if分別為慢掃電流密度和快掃電流-600-900-1200-1500 e慢掃ADAD-3-2-10log(i,mA.cm-2)圖1快慢掃極化曲線示意圖4.3基于上述理論，在確定體系下，只要通過測試獲得材料相關(guān)的各個系數(shù)（ka、khe、kad、kc、I0、Iac和Ic就可以根據(jù)動電位極化曲線測試（測定is、if）來確定任意電位下的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性ISCC。誤差可通過慢應(yīng)變速率拉伸法（SSRT）進(jìn)行驗證。系數(shù)的值可由不同SCC機(jī)制下的SCC敏感性計算公式和相應(yīng)的SCC敏感性測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得出，如附錄A所示。5動電位極化曲線測試5.1試樣制備5.1.1測試的工作電極可以是切取待測工件的樣品，或結(jié)構(gòu)件的待測區(qū)域。根據(jù)具體應(yīng)用要求制備試樣。為了限制研磨溝槽引起的增強(qiáng)反應(yīng)，表面的粗糙度應(yīng)小于1μm。5.1.2試樣制備應(yīng)避免縫隙，不能有尖銳邊緣。加工和研磨過程應(yīng)避免試樣過熱。4T/CSCP0002--20245.1.3試樣在使用前應(yīng)進(jìn)行清洗和脫脂。5.2試驗環(huán)境與介質(zhì)試驗介質(zhì)用分析純藥品和去離子水配制而成。試驗環(huán)境應(yīng)該代表實際使用條件或符合適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。典型腐蝕環(huán)境模擬溶液建立方法見附錄B。5.3試驗裝置電化學(xué)試驗裝置由電化學(xué)工作站和電解池組成。5.3.1恒電位儀恒電位儀應(yīng)具有將電極電位控制在預(yù)先設(shè)置值±1mV的范圍內(nèi)，其電位和電流范圍滿足動電位極化曲線測試要求。電壓范圍應(yīng)從-2000mV～2000mV，電流范圍從1μA～1A。5.3.2電極電位測量儀器在測量過程中，為了盡量減少測量過程中的電流損耗，電極電位測試電路應(yīng)具備1011Ω~1014Ω數(shù)量級的高輸入阻抗。儀器靈敏度和精度應(yīng)能檢測出1mV以內(nèi)的電位變化。5.3.3電流測量儀器電流值通過測量已知電阻器兩端的電壓降求出。在電化學(xué)工作站中，電流測量由其內(nèi)部電路完成，但也可以將一個電阻器接在輔助電極和恒電位掃描儀之間實現(xiàn)外部測量。使用最大誤差值在0.5%范圍以內(nèi)的電流測量儀器。電解池包括工作電極，輔助電極和參比電極。輔助電極應(yīng)放于合適位置，以保證試樣表面電流分布均勻。輔助電極表面積應(yīng)不小于工作電極表面積。本文件中輔助電極采用高純鉑金電極，參比電極采用飽和甘汞電極。試驗電解池中溶液體積應(yīng)足夠多，以至于可以忽略反應(yīng)過程中溶液化學(xué)成分的變化，溶液體積與試樣表面積的比值應(yīng)大于100mL/cm2。5.4試驗步驟5.4.1將試樣、輔助電極、參比電極置于電解池中，加入溶液。5.4.2將試樣浸入溶液后，記錄開路電位隨時間的變化。如果金屬表面在空氣中易形成氧化膜，導(dǎo)致所測開路電位與被測合金正常值偏差較大時，應(yīng)對試樣預(yù)先進(jìn)行陰極極化以去除表面氧化膜。5.4.3待開路電位達(dá)到穩(wěn)定值時（10min波動范圍在10mV以內(nèi)），開始動電位極化測試。極化曲線從某一陰極電位開始向陽極方向進(jìn)行電位掃描，記錄電流隨電位的變化。電位掃描范圍和速率的確定取決于試驗體系。掃描范圍以完整體現(xiàn)出快慢掃極化曲線中SCC機(jī)制區(qū)間為原則，一般取-0.5V～+1.5V(相對于開路電位)。5.4.4對于掃描速率的選擇，快速掃描速率要比慢掃速度高100倍以上，慢掃速率為0.5mV/s。5.4.5實驗溫度宜根據(jù)實際待測體系的工作溫度確定。5T/CSCP0002--2024圖2SCC敏感性現(xiàn)場電化學(xué)快速評價試驗裝置示意圖6SCC敏感性快速評價及驗證在確定體系下，根據(jù)不同SCC機(jī)制下的敏感性計算，結(jié)合快慢掃電流所指示的SCC機(jī)制電位區(qū)間，可以通過插值法計算出該機(jī)制下任意電位下的ISCC。具體SCC敏感性快速評價過程見附錄C。7試驗報告試驗報告應(yīng)該包括以下內(nèi)容：1)實驗材料的完整描述，包括試樣來源、成分、熱處理、產(chǎn)品類型、編號、尺寸、取樣位置、機(jī)加工工藝和表面狀況；2)溶液組成，pH，體積和溫度等；3)試樣接觸試驗溶液的面積；4)所用電解池和電極的描述；5)電位的掃描速度；6)極化測試前浸入溶液時間；7)開路電位，該電位是否穩(wěn)定及電位掃描范圍；8)繪制快掃和慢掃速率下的極化曲線，并在曲線上標(biāo)明根據(jù)快慢掃電流劃分的電位區(qū)間范圍；9)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性實測值，以及用插值法計算得到的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性預(yù)測公式。測試裝置圖2所示：6T/CSCP0002--2024確定體系下材料各相關(guān)系數(shù)的確定方法A.1本附錄中確定的系數(shù)為公式（4A.2根據(jù)5.動電位極化曲線測試方法，對待測試樣進(jìn)行電化學(xué)快慢掃測試。A.3根據(jù)4.原理對得到的電化學(xué)快慢掃曲線進(jìn)行區(qū)間劃分。A.4選擇至少7個AD至HE區(qū)間電位進(jìn)行SSRT試驗獲得ISCC,其中AD區(qū)間至少選擇2個電位，HE區(qū)間至少選擇2個，AD+HE區(qū)間至少選擇3個電位；A.5將不同電位區(qū)間的ISCC與對應(yīng)電位下的is和if分別帶入到4.2.5公式（4）A.6下面以X70鋼在酸性土壤模擬液中的評價公式的系數(shù)確定過程進(jìn)行舉例說明：A.6.1對待測材料進(jìn)行電化學(xué)快慢掃測試，并繪制快慢掃曲線。如圖A.1所示。-300-600-900-1200-150050mV/s ●0.5mV/s50mV/s ●0.5mV/s●●AD-4-3-2-101圖A.1X70鋼在酸性土壤模擬液中的快慢掃極化曲線A.6.2根據(jù)快慢掃曲線進(jìn)行區(qū)間劃分。圖A.1快、慢掃描曲線的相對差異可以分為4個電位區(qū)間。SCCA.6.3根據(jù)步驟A.4，在AD區(qū)間選擇-650mV、-700mmV；在HE區(qū)間選擇-1050mV、-1200mV。在上述電位下分別通過SSRT測量實際ISCC，如表A.1所示。表A.1實測ISCC與快慢掃電流if/mV0.211518.200.197123.24-7500.186133.64-8500.168851.4372.88-10500.11710.127437.23-12000.70130.7355A.6.4將實測ISCC與快慢掃電流值代入公式（4）對應(yīng)的區(qū)間，以AD區(qū)間為例：7T/CSCP0002--2024計算得出ka=2.12×105;I0=?18.03。A.6.5同理計算得出AD、AD+HE和HE電位區(qū)間SCC敏感性與電流的關(guān)系，如公式（A.2）所示。1.ISCC僅適用于用斷面收縮率計算的SCC敏感性。因為斷面收縮率在SCC發(fā)生時能夠最敏感地反映SCC裂紋的擴(kuò)展的影響。2.當(dāng)is或if趨近于零電位電流時，需要用實際的陰極或陽極電流密度計算，而不能從極化曲線數(shù)據(jù)上直接讀取。3.在實際服役條件下，服役環(huán)境可能會受到溫度、濕度、輻照度、氯離子濃度、污染物等因素影響而發(fā)生變化，此時可能需要重新對SCC敏感性公式適用性進(jìn)行評估，并做出修正。4.公式標(biāo)定材料的狀態(tài)和實際快速評價材料狀態(tài)應(yīng)保持一致。T/CSCP0002--2024典型服役環(huán)境模擬溶液建立方法材料典型服役環(huán)境模擬溶液成分列于表B.1。表B.1典型服役環(huán)境模擬溶液典型環(huán)境化學(xué)成分備注海洋環(huán)境Na2SO4+1.16g/LCaCl2+0.695g/LKCl+0.201g/LNaHCO3+0.101g/LKBr+0.見ASTMD1141-98(2013)熱帶海洋大氣環(huán)境工業(yè)大氣環(huán)境19746-2018近中性pH土壤環(huán)境0.483g/LNaHCO3+0.122g/LKCl+0.181g/LCaCl2·2H2O+0.131g/LMgSO4·7H2O典型酸性土壤環(huán)境Na2SO4+0.394g/LMgSO4·7H2O+0.586g/L參見鷹潭土壤模擬液成分T