摘要:介紹了管線(xiàn)鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)的概念、類(lèi)型、形成機(jī)理、影響因素及預(yù)防措施。介紹了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂類(lèi)型,即近中性pH-SCC和高pH-SCC,比較其發(fā)生條件和形貌特征。闡述了SCC的影響因素,主要包括環(huán)境因素、力學(xué)因素和材料因素。探討了SCC形成機(jī)理,高pH-SCC的形成機(jī)理的普遍解釋為陽(yáng)極溶解機(jī)理,近中性pH-SCC的形成機(jī)理尚未達(dá)成共識(shí)。最后得出應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的預(yù)防措施,即采用性能優(yōu)良的防腐層及建立管道壽命預(yù)測(cè)和SCC控制等措施。
0　引言
??? 管線(xiàn)鋼在拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性開(kāi)裂現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(Stress CorrosionC racking,縮寫(xiě)為SCC)。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是環(huán)境敏感開(kāi)裂的一種情況,它不會(huì)造成管線(xiàn)鋼明顯損失,但卻能引起鋼機(jī)械強(qiáng)度顯著下降的腐蝕。[1]自1965年首次在美國(guó)發(fā)現(xiàn)油氣管道高pH值SCC以來(lái),已在澳大利亞、加拿大、巴基斯坦、俄羅斯和阿根廷發(fā)現(xiàn)此類(lèi)事故。1985年,在加拿大首次發(fā)現(xiàn)了近中性pH值SCC[2],隨后,意大利和俄羅斯都有這方面的報(bào)道。1980年,四川天然氣管道發(fā)生的一起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂也具有一定的代表性。由于SCC在管線(xiàn)常規(guī)巡查中不易被發(fā)現(xiàn),一旦發(fā)生,其破壞程度巨大,因此有必要對(duì)SCC的特性、形成機(jī)理、影響因素和預(yù)防措施進(jìn)行研究,保證油氣管道的安全運(yùn)行。
1　應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征
???? 1965年,美國(guó)發(fā)現(xiàn)的輸氣管線(xiàn)SCC,裂紋沿晶向擴(kuò)展,非常狹窄,常出現(xiàn)在管道側(cè)壁,但它并沒(méi)有引起管道嚴(yán)重腐蝕。而后來(lái)在加拿大發(fā)現(xiàn)的SCC,裂紋則是穿晶型的,相對(duì)較寬,并能導(dǎo)致管壁腐蝕。因此,埋地管線(xiàn)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(lèi)型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂都會(huì)在管道表面上形成裂紋群,并沿著管線(xiàn)軸向方向,但其形成環(huán)境、裂紋形態(tài)及影響都不相同。[3]
1.1　高pH值SCC的特征
??? 高pH值SCC一般發(fā)生在CO32-和HCO-3濃度較高的土壤環(huán)境中(pH值為9～11),電位區(qū)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(cè)。高pH值溶液中,SCC是沿晶開(kāi)裂,因此裂紋非常狹窄,其擴(kuò)展隨溫度下降按指數(shù)規(guī)律下降。實(shí)例表明:高pH-SCC一般在距壓縮站下游20 km附近,失效數(shù)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(fā)生在HCO3-濃度較低的土壤環(huán)境中(pH值為515～8),電位區(qū)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(cè)壁發(fā)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(shí)例表明:低中性pH值SCC 65%發(fā)生在壓縮站和第1個(gè)下游閥之間(其間距一般為16～30 km);12%發(fā)生在第1個(gè)下游閥和第2個(gè)下游閥之間;5%發(fā)生在第2個(gè)下游閥和第3個(gè)下游閥之間;18%發(fā)生在第3個(gè)下游閥附近。
2　應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂形成機(jī)理
2.1　一般情況下的形成機(jī)理
2.1.1　陽(yáng)極溶解機(jī)理由于管道鋼晶界碳化物偏析,晶界區(qū)原子能量較高、電位較負(fù),相對(duì)晶粒內(nèi)部為陽(yáng)極,優(yōu)先溶解,引起沿晶間腐蝕。在應(yīng)力作用下,在裂紋發(fā)展尖端部位,金屬局部塑性變形導(dǎo)致其附近表面保護(hù)膜破裂,裸露的金屬成為陽(yáng)極,發(fā)生快速陽(yáng)極溶解,導(dǎo)致裂紋不斷發(fā)展。
2.1.2　薄膜誘導(dǎo)開(kāi)裂機(jī)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(fā)展,直至鈍化。如果在腐蝕過(guò)程中裂紋尖端又形成薄膜,該過(guò)程將重復(fù)。[2]
2.1.3　氫脆機(jī)理
??? 由于腐蝕的陰極反應(yīng)析出氫,氫原子進(jìn)入金屬晶格,并在裂縫尖端和其他應(yīng)力集中處聚集。聚集的氫原子會(huì)降低晶格間的內(nèi)聚強(qiáng)度,生成不穩(wěn)定的氫化物,形成應(yīng)變誘發(fā)馬氏體,促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射和局部塑性變形,使這些區(qū)域變脆,在拉應(yīng)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(jī)理
2.2.1　高pH值SCC形成機(jī)理
??? 對(duì)高pH值條件下管線(xiàn)鋼的SCC進(jìn)行了深入的研究,其普遍解釋是陽(yáng)極溶解機(jī)理。
???? 陰極極化促進(jìn)涂覆層下形成高pH-SCC環(huán)境,在這種環(huán)境下,鋼管線(xiàn)表面會(huì)形成保護(hù)膜,避免了管線(xiàn)和周?chē)h(huán)境的直接接觸,如果膜不被破壞,將不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,一旦管線(xiàn)鋼發(fā)生塑性變形,保護(hù)膜就會(huì)被破壞,管線(xiàn)就會(huì)與環(huán)境直接接觸,從而給管線(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂創(chuàng)造了條件。裂紋萌生(往往首先在金屬表面缺陷處)進(jìn)而擴(kuò)展。如果管線(xiàn)鋼由塑性應(yīng)變進(jìn)入彈性應(yīng)變階段,在管線(xiàn)鋼暴露的地方形成保護(hù)膜,裂紋停止擴(kuò)展;但如果保護(hù)膜在裂縫尖端由于塑性變形發(fā)生破裂,裂紋就會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。只有在塑性變形的速率比保護(hù)膜形成的速率快時(shí),裂縫才會(huì)發(fā)展。因此,高pH值環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂縫擴(kuò)展與應(yīng)變速率有關(guān),而應(yīng)變速率與壓力變化相關(guān)。
2.2.2　近中性pH值SCC形成機(jī)理
??? 對(duì)近中性pH值條件下的管線(xiàn)鋼SCC研究相對(duì)較少,對(duì)其機(jī)理尚未達(dá)成共識(shí)。就其機(jī)理研究而言,目前主要有如下3種觀(guān)點(diǎn):膜破裂和陽(yáng)極溶解;氫脆機(jī)理;陽(yáng)極溶解和氫脆混合機(jī)理。[4]
3　應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響因素
??? 管線(xiàn)若要發(fā)生SCC,必須同時(shí)滿(mǎn)足3個(gè)條件:開(kāi)裂所需的特定環(huán)境,對(duì)SCC敏感的材料,高于臨界值的拉應(yīng)力。下面分別討論這3個(gè)因素對(duì)管線(xiàn)鋼在高pH值溶液和近中性溶液中SCC的影響。[1]
3.1　環(huán)境因素
??? 管道表面的環(huán)境條件受到涂層的種類(lèi)、土壤、溫度和陰極保護(hù)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(guò)程的直接因素。有文獻(xiàn)指出,近中性pH-SCC主要在聚乙烯帶涂層下發(fā)現(xiàn),少量在瀝青和煤焦油搪瓷涂層下發(fā)現(xiàn),迄今還沒(méi)有在熔融結(jié)合環(huán)氧涂層和擠壓聚乙烯涂層下發(fā)現(xiàn),但已在熔融結(jié)合環(huán)氧涂層下發(fā)現(xiàn)高pH-SCC.土壤類(lèi)型對(duì)SCC的影響不是很大,但由于其持水能力強(qiáng),厚重的黏土更有害,隨土壤含水量的變化,土壤縮脹所產(chǎn)生的應(yīng)力便加在涂層和管道上。高pH-SCC裂紋擴(kuò)展很大程度上取決于管道表面的溫度,近中性pH-SCC對(duì)溫度變化并不敏感。[5]
3.2　力學(xué)因素管
??? 線(xiàn)的SCC過(guò)程中,必須有應(yīng)力才會(huì)導(dǎo)致材料形變和開(kāi)裂。應(yīng)力主要包括工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力。影響SCC的力學(xué)因素包括應(yīng)力大小、應(yīng)力波動(dòng)及應(yīng)變速率等。應(yīng)力波動(dòng)是裂紋萌生和擴(kuò)展的必要條件,如果壓力波動(dòng)小,裂紋擴(kuò)展速率是很低的。發(fā)生SCC臨界應(yīng)力值受多個(gè)因素的影響,包括波動(dòng)應(yīng)力、SCC環(huán)境、管線(xiàn)表面的電化學(xué)電位以及管線(xiàn)的使用經(jīng)歷等。應(yīng)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(huán)境中,從而使SCC繼續(xù)。[6]
3.3　材料因素
??? 材料的化學(xué)成分和顯微組織顯著影響管線(xiàn)鋼SCC的敏感性。[7]有研究者認(rèn)為,管線(xiàn)的性質(zhì)和質(zhì)量與近中性pH-SCC的發(fā)生相關(guān),包括管線(xiàn)生產(chǎn)工藝、鋼等級(jí)、鋼類(lèi)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(duì)管道溫度較敏感。
4　應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的預(yù)防措施
??? 為防止管線(xiàn)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,可以采用加涂防腐層、建立壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)、進(jìn)行管道內(nèi)部檢測(cè)及再次進(jìn)行靜壓試驗(yàn)等方法。在采用涂加性能優(yōu)良的防腐層方面,加拿大能源管道協(xié)會(huì)確定了對(duì)防腐層預(yù)防SCC的3項(xiàng)要求:能阻止形成致裂環(huán)境,防止電解質(zhì)溶液與管道鋼材表面的接觸;防腐層脫落或破損時(shí)能允許陰極保護(hù)電流通過(guò);防腐層施工時(shí)通過(guò)改變管道表面狀態(tài)來(lái)降低殘余應(yīng)力。[1]除此之外,國(guó)內(nèi)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,建立相應(yīng)的埋地管道壽命預(yù)測(cè)和SCC控制方法,對(duì)埋地管道引發(fā)SCC的可能性進(jìn)行評(píng)估,開(kāi)展應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向的預(yù)測(cè),保障埋地管道的安全服役。[8]
5　結(jié)束語(yǔ)
?? SCC是目前埋地油氣管道發(fā)生開(kāi)裂的主要形式之一,破壞性很大,影響因素復(fù)雜,涉及環(huán)境因素、力學(xué)因素和材料因素三方面,對(duì)于其形成機(jī)理尤其是近中性pH-SCC的形成機(jī)理還有待深入研究。雖然國(guó)內(nèi)油氣管道發(fā)生SCC事故較少,但也應(yīng)引起重視,采取相應(yīng)的控制和預(yù)防措施避免事故的發(fā)生。