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            管線鋼應力腐蝕開裂

            閱讀次數[] 發布時間:2013-7-13 17:14:09

            摘要:介紹了管線鋼應力腐蝕開裂(SCC)的概念、類型、形成機理、影響因素及預防措施。介紹了應力腐蝕開裂類型,即近中性pH-SCC和高pH-SCC,比較其發生條件和形貌特征。闡述了SCC的影響因素,主要包括環境因素、力學因素和材料因素。探討了SCC形成機理,高pH-SCC的形成機理的普遍解釋為陽極溶解機理,近中性pH-SCC的形成機理尚未達成共識。最后得出應力腐蝕開裂的預防措施,即采用性能優良的防腐層及建立管道壽命預測和SCC控制等措施。
            0 引言
                管線鋼在拉應力和特定的腐蝕環境下產生的低應力脆性開裂現象稱為應力腐蝕開裂(Stress CorrosionC racking,縮寫為SCC)。應力腐蝕開裂是環境敏感開裂的一種情況,它不會造成管線鋼明顯損失,但卻能引起鋼機械強度顯著下降的腐蝕。[1]自1965年首次在美國發現油氣管道高pH值SCC以來,已在澳大利亞、加拿大、巴基斯坦、俄羅斯和阿根廷發現此類事故。1985年,在加拿大首次發現了近中性pH值SCC[2],隨后,意大利和俄羅斯都有這方面的報道。1980年,四川天然氣管道發生的一起應力腐蝕開裂也具有一定的代表性。由于SCC在管線常規巡查中不易被發現,一旦發生,其破壞程度巨大,因此有必要對SCC的特性、形成機理、影響因素和預防措施進行研究,保證油氣管道的安全運行。
            1 應力腐蝕開裂的特征
                 1965年,美國發現的輸氣管線SCC,裂紋沿晶向擴展,非常狹窄,常出現在管道側壁,但它并沒有引起管道嚴重腐蝕。而后來在加拿大發現的SCC,裂紋則是穿晶型的,相對較寬,并能導致管壁腐蝕。因此,埋地管線SCC有兩種形式,即高pH值SCC(沿晶腐蝕)和近中性pH值SCC(穿晶腐蝕)。兩種類型的應力腐蝕開裂都會在管道表面上形成裂紋群,并沿著管線軸向方向,但其形成環境、裂紋形態及影響都不相同。[3]
            1.1 高pH值SCC的特征
                高pH值SCC一般發生在CO32-和HCO-3濃度較高的土壤環境中(pH值為9~11),電位區間為-625~-425 mV(SCE),溫度一般在22~90℃.裂紋起源于與土壤接觸的管道外表面,主要在管道的下底側。高pH值溶液中,SCC是沿晶開裂,因此裂紋非常狹窄,其擴展隨溫度下降按指數規律下降。實例表明:高pH-SCC一般在距壓縮站下游20 km附近,失效數量隨距加壓站距離的增加和管道溫度的降低而顯著降低。
            1.2 近中性pH值SCC的特征
                 近中性pH值SCC一般發生在HCO3-濃度較低的土壤環境中(pH值為515~8),電位區間為-760~-790 mV.近中性pH值SCC的裂紋是一般是穿晶型的,裂紋側壁發生腐蝕,裂紋顯得比高pH值SCC裂紋要寬得多,然而裂紋一般隨其變深而變窄。實例表明:低中性pH值SCC 65%發生在壓縮站和第1個下游閥之間(其間距一般為16~30 km);12%發生在第1個下游閥和第2個下游閥之間;5%發生在第2個下游閥和第3個下游閥之間;18%發生在第3個下游閥附近。
            2 應力腐蝕開裂形成機理
            2.1 一般情況下的形成機理
            2.1.1 陽極溶解機理由于管道鋼晶界碳化物偏析,晶界區原子能量較高、電位較負,相對晶粒內部為陽極,優先溶解,引起沿晶間腐蝕。在應力作用下,在裂紋發展尖端部位,金屬局部塑性變形導致其附近表面保護膜破裂,裸露的金屬成為陽極,發生快速陽極溶解,導致裂紋不斷發展。
            2.1.2 薄膜誘導開裂機理
                如果一般的黏性材料管道外有脆性薄膜,裂紋將在薄膜處萌生,沿著管道發展,直至鈍化。如果在腐蝕過程中裂紋尖端又形成薄膜,該過程將重復。[2]
            2.1.3 氫脆機理
                由于腐蝕的陰極反應析出氫,氫原子進入金屬晶格,并在裂縫尖端和其他應力集中處聚集。聚集的氫原子會降低晶格間的內聚強度,生成不穩定的氫化物,形成應變誘發馬氏體,促進位錯發射和局部塑性變形,使這些區域變脆,在拉應力的作用下脆斷,形成微裂紋。[4]
            2.2 高pH值和近中性pH值下的形成機理
            2.2.1 高pH值SCC形成機理
                對高pH值條件下管線鋼的SCC進行了深入的研究,其普遍解釋是陽極溶解機理。
                 陰極極化促進涂覆層下形成高pH-SCC環境,在這種環境下,鋼管線表面會形成保護膜,避免了管線和周圍環境的直接接觸,如果膜不被破壞,將不會發生應力腐蝕開裂,一旦管線鋼發生塑性變形,保護膜就會被破壞,管線就會與環境直接接觸,從而給管線應力腐蝕開裂創造了條件。裂紋萌生(往往首先在金屬表面缺陷處)進而擴展。如果管線鋼由塑性應變進入彈性應變階段,在管線鋼暴露的地方形成保護膜,裂紋停止擴展;但如果保護膜在裂縫尖端由于塑性變形發生破裂,裂紋就會繼續擴展。只有在塑性變形的速率比保護膜形成的速率快時,裂縫才會發展。因此,高pH值環境中的應力腐蝕開裂裂縫擴展與應變速率有關,而應變速率與壓力變化相關。
            2.2.2 近中性pH值SCC形成機理
                對近中性pH值條件下的管線鋼SCC研究相對較少,對其機理尚未達成共識。就其機理研究而言,目前主要有如下3種觀點:膜破裂和陽極溶解;氫脆機理;陽極溶解和氫脆混合機理。[4]
            3 應力腐蝕開裂的影響因素
                管線若要發生SCC,必須同時滿足3個條件:開裂所需的特定環境,對SCC敏感的材料,高于臨界值的拉應力。下面分別討論這3個因素對管線鋼在高pH值溶液和近中性溶液中SCC的影響。[1]
            3.1 環境因素
                管道表面的環境條件受到涂層的種類、土壤、溫度和陰極保護電流等因素的影響。涂層狀況是決定破損涂層下最終溶液成分的主要因素,也是決定SCC過程的直接因素。有文獻指出,近中性pH-SCC主要在聚乙烯帶涂層下發現,少量在瀝青和煤焦油搪瓷涂層下發現,迄今還沒有在熔融結合環氧涂層和擠壓聚乙烯涂層下發現,但已在熔融結合環氧涂層下發現高pH-SCC.土壤類型對SCC的影響不是很大,但由于其持水能力強,厚重的黏土更有害,隨土壤含水量的變化,土壤縮脹所產生的應力便加在涂層和管道上。高pH-SCC裂紋擴展很大程度上取決于管道表面的溫度,近中性pH-SCC對溫度變化并不敏感。[5]
            3.2 力學因素管
                線的SCC過程中,必須有應力才會導致材料形變和開裂。應力主要包括工作應力、殘余應力、熱應力以及結構應力。影響SCC的力學因素包括應力大小、應力波動及應變速率等。應力波動是裂紋萌生和擴展的必要條件,如果壓力波動小,裂紋擴展速率是很低的。發生SCC臨界應力值受多個因素的影響,包括波動應力、SCC環境、管線表面的電化學電位以及管線的使用經歷等。應變速率的重要性在于裂紋尖端的局部屈服將新鮮金屬暴露于環境中,從而使SCC繼續。[6]
            3.3 材料因素
                材料的化學成分和顯微組織顯著影響管線鋼SCC的敏感性。[7]有研究者認為,管線的性質和質量與近中性pH-SCC的發生相關,包括管線生產工藝、鋼等級、鋼類型、清潔程度、鋼成分、鋼塑性變形特性、鋼溫度和表面狀況等。高pH-SCC對管道溫度較敏感。
            4 應力腐蝕開裂的預防措施
                為防止管線的應力腐蝕開裂,可以采用加涂防腐層、建立壽命預測系統、進行管道內部檢測及再次進行靜壓試驗等方法。在采用涂加性能優良的防腐層方面,加拿大能源管道協會確定了對防腐層預防SCC的3項要求:能阻止形成致裂環境,防止電解質溶液與管道鋼材表面的接觸;防腐層脫落或破損時能允許陰極保護電流通過;防腐層施工時通過改變管道表面狀態來降低殘余應力。[1]除此之外,國內應根據實際情況,建立相應的埋地管道壽命預測和SCC控制方法,對埋地管道引發SCC的可能性進行評估,開展應力腐蝕開裂傾向的預測,保障埋地管道的安全服役。[8]
            5 結束語
               SCC是目前埋地油氣管道發生開裂的主要形式之一,破壞性很大,影響因素復雜,涉及環境因素、力學因素和材料因素三方面,對于其形成機理尤其是近中性pH-SCC的形成機理還有待深入研究。雖然國內油氣管道發生SCC事故較少,但也應引起重視,采取相應的控制和預防措施避免事故的發生。

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              產品分類: 大口徑 結構 厚壁 管線 油管 套管