高強度管線鋼近中性pH土壤應力腐蝕開裂的影響因素*

張 良，賈海東，楊永和，羅金恒，黃忠勝，徐春燕

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院CNPC石油管工程重點實驗室，西安710077；2.中石油西部管道公司，烏魯木齊830011）

應力腐蝕開裂（stress corrosion cracking，SCC）是金屬材料在拉應力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下產(chǎn)生的一種低應力脆斷現(xiàn)象。目前，絕大多數(shù)管道采用埋地敷設，并采用涂層+陰極保護的聯(lián)合防護措施，以有效減緩或防止管線鋼在土壤環(huán)境中的腐蝕。埋地管道在運行過程中，因涂層自然老化等原因，管道涂層破損不可避免，涂層破損處管道在土壤環(huán)境和應力作用下發(fā)生應力腐蝕開裂在所難免。因此，應力腐蝕開裂被認為是埋地油氣輸送管道突發(fā)破裂事故的主要危險之一，管線鋼在土壤環(huán)境中的SCC失效在世界范圍內(nèi)屢見不鮮，美國、加拿大、前蘇聯(lián)、澳大利亞、伊朗和巴基斯坦等國家均發(fā)生過由應力腐蝕開裂導致的管道泄漏和斷裂事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[1-2]。

SCC可分為高pH SCC和近中性pH SCC兩種。高pH SCC發(fā)生的pH值為8.0～12.5，對其機理的研究較為成熟；近中性pH SCC發(fā)生的pH值為5.5～8.5，國際上已經(jīng)開展了許多研究工作，但主要集中在X70及以下鋼級管線鋼的近中性pH SCC機理及規(guī)律[3-5]。

隨著能源需求的迅猛發(fā)展，選用高鋼級管線鋼已成為高壓天然氣輸送的新趨勢。工業(yè)發(fā)達國家普遍將X80和X100管線鋼列為21世紀油氣輸送管線的主要用鋼，已進行了大量研究和工程實踐，但是鋼的級別越高，對氫脆的敏感性越大，管線發(fā)生SCC的風險就越大，高強度管線鋼一旦發(fā)生SCC，造成的損失更大。以西氣東輸二線為例，土壤pH值在5.5～7.5（近中性pH環(huán)境）的管線共1 842.929 km，占主干線全長37.13%。近中性pH環(huán)境的管段主要集中在湖北安陸至江西九江段，占主干線全長的18.30%[6]。這說明我國天然氣輸送管道具備發(fā)生應力腐蝕開裂的環(huán)境條件。從我國實際情況來看，在未來幾十年中，X70以上級別的管線鋼（包括X90和X100）以及0.8設計系數(shù)用鋼管在我國工程中的應用會越來越多。因此，研究高強度管線鋼土壤環(huán)境應力腐蝕問題就顯得十分迫切。

SCC的發(fā)生需要拉伸應力和特定的腐蝕介質(zhì)，去掉其中任何一個都可以阻止裂紋的萌生或繼續(xù)擴展。也就是說，發(fā)生應力腐蝕開裂需要具備3個特殊因素，即材料、應力和環(huán)境，三者缺一不可。本研究通過慢應變速率試驗、電化學試驗和壓力波動試驗對近中性pH土壤的應力腐蝕開裂敏感性進行了試驗研究，以期對高鋼級管道的近中性pH土壤應力腐蝕開裂的有效預防和控制提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及溶液組分

試驗材料取自X70和X80鋼直縫埋弧焊管（LSAW），鋼管規(guī)格分別為Φ1 016 mm×21.0 mm和Φ1 219 mm×22.0 mm，其化學成分見表1。采用圓棒試樣測得X70和X80焊管母材拉伸性能見表2。

表1 試驗用焊管母材的化學成分

表2 試驗用焊管母材的拉伸性能

慢應變速率試驗、電化學試驗和壓力波動試驗的試驗溶液均采用模擬土壤介質(zhì)的NS4溶液，溶液組分見表3。試驗溶液用分析純試劑和去離子水配置。試驗過程中向試驗溶液通入5%CO2+95%N2混合氣體除氧，使溶液的pH值處于近中性。試驗溫度為室溫。

表3 試驗用溶液組分

2 慢應變速率試驗（SSRT）

慢應變速率試驗（slow strain rate test，簡稱SSRT）是一種快速測定應力腐蝕破裂性能的試驗方法，它能使任何試樣在較短時間內(nèi)發(fā)生斷裂，因此是一種相當苛刻的加速試驗方法。通過試驗過程中測定的應力－應變曲線，可以分析出許多反映應力腐蝕敏感性的參數(shù)[7]。而且由于試驗處于室內(nèi)環(huán)境中，可以在慢拉伸過程中同時研究其他因素（如溫度、電極電位和溶液pH值等）對SCC過程的影響。

SSRT依據(jù)GB/T 15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第7部分慢應變速率試驗》，在MYB-Ⅱ型慢拉伸試驗機上進行，拉伸應變速率設定為10-6m/s。采用板狀拉伸試樣，試樣標距段尺寸為40 mm×6 mm×2.5 mm，試樣形狀及尺寸如圖1所示。根據(jù)GB/T 15970.7—2000，試樣拉斷后可用斷裂時間、延伸率、斷面收縮率、抗拉強度、斷裂功等參數(shù)來判定相同環(huán)境下X70和X80管線鋼的SCC敏感性。

對比空氣中和NS4溶液中的SCC敏感性指標，得出各類敏感性指標的損失百分比，從而對比X70和X80管線鋼的SCC敏感性。損失百分比越大，則SCC敏感性越強（斷面收縮率相反）。SSTR結果見表4，空氣和NS4溶液中SCC敏感性指標的損失百分比見表5。由表4和表5可以看出，X80的斷裂時間、抗拉強度、延伸率及斷裂功的損失百分比均高于X70，X80的斷面收縮率損失百分比低于X70，所以X80管線鋼在近中性pH環(huán)境下的SCC敏感性強于X70。說明隨著管線鋼鋼級的提高，SCC敏感性增強。

圖1 SSTR試樣的形狀及尺寸

表4 SSTR檢測結果

表5 空氣和NS4溶液中SCC敏感性指標的損失百分比

3 電化學試驗

應力腐蝕開裂屬于一種電化學反應的觀點在國內(nèi)外已經(jīng)達成共識，電化學狀態(tài)是影響應力腐蝕最基本的因素之一，其他因素則是間接對電化學狀態(tài)產(chǎn)生作用而影響應力腐蝕開裂。應力腐蝕電化學機理認為，合金中存在一條活性通道，當它與兩側的金屬或其他相（如碳化物）構成相適應的電位關系時，在適當?shù)碾娊庖褐屑催M行電化學腐蝕，電位較負的一側將優(yōu)先溶解。而應力的作用只是撕破表面膜，使裂縫沿著一條狹窄的通道前進。

本研究采用外加電位的恒電位極化試驗測量不同電位下的SCC敏感性[8-9]，試樣的形狀及尺寸如圖2所示。采用美國EG&G公司生產(chǎn)的M273恒電位儀，在NS4溶液中通入CO2和N2，通入氣體主要模擬土壤介質(zhì)中高CO2的含量。試驗前首先通N2預除氧30 min以上，然后分別在OCP、 －700 mV、－850 mV 和－1 000 mV 不同電位下對X80和X70管線鋼母材進行恒電位極化測試，進而對比外加電位對SCC的影響，試驗結果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著外加電位越負，X70和X80的電流密度逐漸增強，電流密度越大，表示材料發(fā)生腐蝕的傾向性越強，即SCC的敏感性越強。說明隨著電位負移，SCC敏感性增強。

圖2 電化學試樣的形狀及尺寸

圖3 電化學試驗結果

4 壓力波動試驗

采用壓力波動試驗對管線鋼近中性pH土壤應力腐蝕開裂的研究一直較少，國外已經(jīng)開展了一些研究，但主要針對低鋼級管線鋼[10]。本研究采用疲勞試驗機對X80焊縫試樣進行高載小幅波動應力腐蝕試驗，研究高載小幅波動對X80管線鋼近中性pH應力腐蝕開裂的影響。壓力波動試驗試樣的形狀及尺寸如圖4所示。在100%Rt0.5載荷及0.02 Hz的頻率下，以應力比分別為0.75、0.85和1時進行試驗，并在試驗前預制單邊疲勞裂紋。

圖4 壓力波動試樣的形狀及尺寸

在應力比為0.75、疲勞預制裂紋1 mm條件下，進行連續(xù)不間斷高載小幅波動試驗，經(jīng)336 h，循環(huán)周次N=22 450次高載小幅波動后，觀察試樣裂紋的擴展情況。試驗前、后宏觀裂紋形貌如圖5所示。由圖5可見，裂紋擴展長度約0.5 mm，平均裂紋擴展速率為0.001 49 mm/h。

圖5 應力比為0.75時高載小幅波動試驗前、后宏觀裂紋形貌對比 50×

在應力比為0.85、疲勞預制裂紋0.8 mm條件下，進行連續(xù)不間斷高載小幅波動試驗，經(jīng)192 h、循環(huán)周次N=12 830次高載小幅波動后，觀察試樣裂紋的擴展情況。試驗前、后宏觀裂紋形貌如圖6所示。由圖6可見，裂紋擴展長度約為0.2mm，平均裂紋擴展速率為0.001 04 mm/h。

圖6 應力比為0.85的高載小幅波動試驗前、后宏觀裂紋形貌對比 100×

在應力比為1、疲勞預制裂紋0.8 mm條件下，進行恒載荷應力腐蝕試驗，經(jīng)384 h后，觀察試樣裂紋的擴展情況。試驗前、后宏觀裂紋形貌如圖7所示。由圖7可見，裂紋擴展長度約為0.15 mm，平均裂紋擴展速率為0.000 39 mm/h。

圖7 應力比為1的恒載荷試驗前、后宏觀裂紋形貌對比 100×

圖5～圖7的試驗結果說明，隨著應力比的減小，裂紋擴展速率升高，即SCC敏感性增強。

5 結 論

（1）與空氣中比較，NS4溶液中X80管線鋼母材的延伸率、斷面收縮率以及斷裂功下降明顯，下降幅度超過10%，最大降幅為13%。而X70管線鋼母材這3項指標的下降幅度不明顯，下降幅度在10%以內(nèi)，最大為7.1%。說明隨著管線鋼鋼級的提高，屈服強度升高，其應力腐蝕開裂敏感性也隨之增大。

（2）從自腐蝕電位到－1 000 mV，隨著電位升高，X70和X80管線鋼均表現(xiàn)出敏感性增強的趨勢；在－1 000 mV下電流密度值最高，說明在過保護電位下管道近中性應力腐蝕開裂敏感性最強。

（3）采用高載小幅波動試驗對疲勞預制裂紋試樣進行不同時間的應力腐蝕試驗，同時與恒載荷應力腐蝕試驗進行對比，發(fā)現(xiàn)高載小幅波動試驗裂紋擴展速率明顯比恒載荷試驗擴展速率高。說明高載荷小幅度波動對X80鋼在中性土壤環(huán)境溶液中應力腐蝕敏感性的提高具有明顯的作用。

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