● 摘要
由于我国经济的快速发展，对石油和天然气的需求不断增长。为解决这一问题，油气资源开发不断向酸性油气田拓展，但由于酸性油气田中的H2S具有很强的腐蚀性，会引起钢的氢致开裂、应力腐蚀开裂等氢损伤问题，严重威胁着油气田设备和管线钢的正常服役。因此，研究碳钢在湿硫化氢环境中的力学行为具有非常重要的现实意义。
本论文针对油气田用碳钢A350LF2在湿H2S环境中的力学性能损伤规律开展课题研究。通过研究可扩散氢量、拉伸性能、冲击韧性及断口形貌的变化规律，探讨了夹杂物、腐蚀时间、H2S分压、试验温度和应变速率对A350LF2钢在湿H2S环境中的力学性能损伤规律的影响，结合腐蚀产物膜的形貌、结构和电化学特性，揭示了湿H2S环境中A350LF2钢力学性能的损伤机理。
非金属夹杂物对碳钢力学性能损伤的影响研究发现：钢中非金属夹杂物含量等级越高，渗入钢中的氢含量越多，相对强度损失和相对塑性损失愈大；裂纹萌生的位置主要在夹杂物周围，分析认为裂纹的形成是应力、氢和夹杂物的交互作用的结果；腐蚀后的断口形貌呈韧性-脆性混合断口形貌，断口的准解理区域随氢含量增加而增大；白点出现在夹杂物等级低和氢浓度低的钢内部，其形成与局部氢浓度有关。
腐蚀时间对碳钢力学性能损伤的影响研究发现：腐蚀时间延长，钢中的氢含量逐渐增大，腐蚀168h后达到最大值，随后氢含量降低；腐蚀产物膜致密度、厚度、产物膜电阻和电荷转移电阻随着腐蚀时间延长而增大，表明腐蚀产物膜的保护性和离子阻隔性能随腐蚀时间延长逐渐增强；腐蚀168h后腐蚀产物膜高的离子阻隔性能导致渗入钢中的氢含量降低，并分析了腐蚀时间影响氢渗入的作用机制。腐蚀时间由24h逐渐延长到168h，钢相对强度损失和相对塑性损失逐渐增大，之后腐蚀时间增加，钢的相对强度损失和相对塑性损失降低，此规律与氢含量变化规律相一致，表明钢的力学性能损伤与氢含量变化密切相关。
H2S分压对碳钢力学性能损伤的影响研究发现：腐蚀产物膜的致密度和膜电阻随着H2S分压增加而增大，其化学组成由马基诺矿和立方FeS逐渐向六方FeS转变，表明腐蚀产物膜保护性和离子阻隔性逐渐增强；钢中氢含量随着H2S分压增加而增大，但由于腐蚀产物膜保护性增强导致氢含量增幅逐渐减小；随着H2S分压增大，钢的拉伸性能损伤逐渐增加，冲击韧性损失程度随H2S分压增大变化很小，原因在于瞬间冲击氢来不及扩散和富集。不同H2S分压条件下，腐蚀环境中静置96 h后慢拉伸与直接在腐蚀环境中慢拉伸实验结果表明，静置4天形成腐蚀产物膜后的试样的力学性能损伤较小。腐蚀环境浸泡的拉伸试样断口不规则，直接拉伸试样的断口比较平整。
温度和拉伸速率对碳钢力学性能损伤的影响研究发现：随着温度升高，钢中氢含量逐渐降低，腐蚀产物膜致密度和离子阻隔能力逐渐增强，钢的相对拉伸性能损失逐渐降低，结合离子浓度计算和腐蚀产物膜特性，探讨了温度对碳钢力学性能损伤的影响机理。随着拉伸速率增加，材料屈服强度增加，延伸率和断裂时间缩短，并利用拉伸速率与腐蚀产物膜形成和修复关系分析了拉伸速率对力学性能损伤的作用机制。