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(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(yōu)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(huán)境下產生的低應力脆性開裂現(xiàn)象稱為應力腐蝕開裂(Stress CorrosionC racking,縮寫為SCC)。應力腐蝕開裂是環(huán)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)此類事故。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道。1980年,四川天然氣管道發(fā)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(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(fā)現(xiàn)的輸氣管線SCC,裂紋沿晶向擴展,非常狹窄,常出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(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。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(shù)規(guī)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(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。實例表明:低中性pH值SCC 65%發(fā)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(fā)生在第1個下游閥和第2個下游閥之間;5%發(fā)生在第2個下游閥和第3個下游閥之間;18%發(fā)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(qū)原子能量較高、電位較負,相對晶粒內部為陽極,優(yōu)先溶解,引起沿晶間腐蝕。在應力作用下,在裂紋發(fā)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(fā)生快速陽極溶解,導致裂紋不斷發(fā)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(fā)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(wěn)定的氫化物,形成應變誘發(fā)馬氏體,促進位錯發(fā)射和局部塑性變形,使這些區(qū)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(huán)境,在這種環(huán)境下,鋼管線表面會形成保護膜,避免了管線和周圍環(huán)境的直接接觸,如果膜不被破壞,將不會發(fā)生應力腐蝕開裂,一旦管線鋼發(fā)生塑性變形,保護膜就會被破壞,管線就會與環(huán)境直接接觸,從而給管線應力腐蝕開裂創(chuàng)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(fā)生破裂,裂紋就會繼續(xù)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(fā)展。因此,高pH值環(huán)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(fā)生SCC,必須同時滿足3個條件:開裂所需的特定環(huán)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(huán)境因素
??? 管道表面的環(huán)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(fā)現(xiàn),少量在瀝青和煤焦油搪瓷涂層下發(fā)現(xiàn),迄今還沒有在熔融結合環(huán)氧涂層和擠壓聚乙烯涂層下發(fā)現(xiàn),但已在熔融結合環(huán)氧涂層下發(fā)現(xiàn)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(fā)生SCC臨界應力值受多個因素的影響,包括波動應力、SCC環(huán)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(huán)境中,從而使SCC繼續(xù)。[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(fā)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(tǒng)、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(yōu)良的防腐層方面,加拿大能源管道協(xié)會確定了對防腐層預防SCC的3項要求:能阻止形成致裂環(huán)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(tài)來降低殘余應力。[1]除此之外,國內應根據(jù)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(fā)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(fā)生開裂的主要形式之一,破壞性很大,影響因素復雜,涉及環(huán)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(fā)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(fā)生。