張 良，賈海東，楊永和，羅金恒，黃忠勝，徐春燕

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)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(yīng)力腐蝕開裂（stress corrosion cracking，SCC）是金屬材料在拉應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下產(chǎn)生的一種低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。目前，絕大多數(shù)管道采用埋地敷設(shè)，并采用涂層+陰極保護(hù)的聯(lián)合防護(hù)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(yùn)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(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂在所難免。因此，應(yīng)力腐蝕開裂被認(rèn)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(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致的管道泄漏和斷裂事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(dá)國家普遍將X80和X100管線鋼列為21世紀(jì)油氣輸送管線的主要用鋼，已進(jìn)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(fēng)險就越大，高強(qiáng)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(yīng)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(shè)計系數(shù)用鋼管在我國工程中的應(yīng)用會越來越多。因此，研究高強(qiáng)度管線鋼土壤環(huán)境應(yīng)力腐蝕問題就顯得十分迫切。

SCC的發(fā)生需要拉伸應(yīng)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(kuò)展。也就是說，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需要具備3個特殊因素，即材料、應(yīng)力和環(huán)境，三者缺一不可。本研究通過慢應(yīng)變速率試驗、電化學(xué)試驗和壓力波動試驗對近中性pH土壤的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性進(jìn)行了試驗研究，以期對高鋼級管道的近中性pH土壤應(yīng)力腐蝕開裂的有效預(yù)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(xué)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(xué)成分

表2 試驗用焊管母材的拉伸性能

慢應(yīng)變速率試驗、電化學(xué)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(yīng)變速率試驗（SSRT）

慢應(yīng)變速率試驗（slow strain rate test，簡稱SSRT）是一種快速測定應(yīng)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(dāng)苛刻的加速試驗方法。通過試驗過程中測定的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，可以分析出許多反映應(yīng)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(yīng)力腐蝕試驗第7部分慢應(yīng)變速率試驗》，在MYB-Ⅱ型慢拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸應(yīng)變速率設(shè)定為10-6m/s。采用板狀拉伸試樣，試樣標(biāo)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(qiáng)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(biāo)，得出各類敏感性指標(biāo)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(qiáng)（斷面收縮率相反）。SSTR結(jié)果見表4，空氣和NS4溶液中SCC敏感性指標(biāo)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(qiáng)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(qiáng)于X70。說明隨著管線鋼鋼級的提高，SCC敏感性增強(qiáng)。

圖1 SSTR試樣的形狀及尺寸

表4 SSTR檢測結(jié)果

表5 空氣和NS4溶液中SCC敏感性指標(biāo)的損失百分比

3 電化學(xué)試驗

應(yīng)力腐蝕開裂屬于一種電化學(xué)反應(yīng)的觀點在國內(nèi)外已經(jīng)達(dá)成共識，電化學(xué)狀態(tài)是影響應(yīng)力腐蝕最基本的因素之一，其他因素則是間接對電化學(xué)狀態(tài)產(chǎn)生作用而影響應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕電化學(xué)機(jī)理認(rèn)為，合金中存在一條活性通道，當(dāng)它與兩側(cè)的金屬或其他相（如碳化物）構(gòu)成相適應(yīng)的電位關(guān)系時，在適當(dāng)?shù)碾娊庖褐屑催M(jìn)行電化學(xué)腐蝕，電位較負(fù)的一側(cè)將優(yōu)先溶解。而應(yīng)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(jìn)。

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(yù)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(jìn)行恒電位極化測試，進(jìn)而對比外加電位對SCC的影響，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著外加電位越負(fù)，X70和X80的電流密度逐漸增強(qiáng)，電流密度越大，表示材料發(fā)生腐蝕的傾向性越強(qiáng)，即SCC的敏感性越強(qiáng)。說明隨著電位負(fù)移，SCC敏感性增強(qiáng)。

圖2 電化學(xué)試樣的形狀及尺寸

圖3 電化學(xué)試驗結(jié)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(yīng)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(jī)對X80焊縫試樣進(jìn)行高載小幅波動應(yīng)力腐蝕試驗，研究高載小幅波動對X80管線鋼近中性pH應(yīng)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(yīng)力比分別為0.75、0.85和1時進(jìn)行試驗，并在試驗前預(yù)制單邊疲勞裂紋。

圖4 壓力波動試樣的形狀及尺寸

在應(yīng)力比為0.75、疲勞預(yù)制裂紋1 mm條件下，進(jìn)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(kuò)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(kuò)展長度約0.5 mm，平均裂紋擴(kuò)展速率為0.001 49 mm/h。

圖5 應(yīng)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(yīng)力比為0.85、疲勞預(yù)制裂紋0.8 mm條件下，進(jìn)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(kuò)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(kuò)展長度約為0.2mm，平均裂紋擴(kuò)展速率為0.001 04 mm/h。

圖6 應(yīng)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(yīng)力比為1、疲勞預(yù)制裂紋0.8 mm條件下，進(jìn)行恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗，經(jīng)384 h后，觀察試樣裂紋的擴(kuò)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(kuò)展長度約為0.15 mm，平均裂紋擴(kuò)展速率為0.000 39 mm/h。

圖7 應(yīng)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(jié)果說明，隨著應(yīng)力比的減小，裂紋擴(kuò)展速率升高，即SCC敏感性增強(qiáng)。

5 結(jié) 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(biāo)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(qiáng)度升高，其應(yīng)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(qiáng)的趨勢；在－1 000 mV下電流密度值最高，說明在過保護(hù)電位下管道近中性應(yīng)力腐蝕開裂敏感性最強(qiáng)。

（3）采用高載小幅波動試驗對疲勞預(yù)制裂紋試樣進(jìn)行不同時間的應(yīng)力腐蝕試驗，同時與恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)高載小幅波動試驗裂紋擴(kuò)展速率明顯比恒載荷試驗擴(kuò)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(yīng)力腐蝕敏感性的提高具有明顯的作用。

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