管道的应力腐蚀断裂参考文本.docx
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管道的应力腐蚀断裂参考文本
管道的应力腐蚀断裂参考
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XX年XX月
管道的应力腐蚀断裂参考文本
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四川省的天然气管线由于介质未处理好，在被输送的天然气中H2S大大超过规走的含量，曾发生多次爆破事故。
据国外文献介绍,美国1955年第一次发生由于氢脆而产生的氢应力破坏,六十年代出现了其他形式的应力腐蚀断裂，以后随着时间的延续，这类破坏事故越来越多，而应力腐蚀断裂也越来越多地为管道工作者所关注,并成为研究的课题。
应力腐蚀断裂简称为SCC,这系由英文名词StressCorrosionCracKing而来的,其定义为：
在应力和介质联合作用下，裂纹的形成和扩展的过程叫做应力腐蚀,由于应力腐蚀而产生的断裂称为应力腐蚀断裂。
当原始缺陷的长度2a小时临界裂纹长度2ac时，管线是不会断裂的’但由于疲劳或（和）环境的作用,裂纹长度可以增长,当原始缺陷长度逐渐增长,最后达到2ac时”则管道产生断裂。
这里只将讨论后者,即在环境和应力相互作用下引起的应力腐蚀断裂。
一、应力腐蚀的机理
为说明应力腐蚀需先简单的介绍腐蚀反应。
大家知道，钢铁放在潮湿的空气中，就会生锈,锈不断脱落,就会导致截面减小和重量减轻,这称为钢铁受到了腐蚀。
腐蚀是一种电化学过程,它又可分为阳极过程和阴极过程,这二者是共存的。
金属原子是由带正电的金属离子,对钢来说,就是二价的铁离子F2+
和周围带负电的电子云（用e-
来表示）构成的,如下所示：
Fe—Fe2+
+2e-
上式是一个可逆反应。
当铁遇到水,铁离子Fe2+
和水化合的倾向比Fe2+
与e-
结合成金属的倾向还要强,因此金属铁遇到水后就会
发生如下反应：
上式放出电子e-
故称为阳极反应。
阳极反应所放出的电子必须通过阴极过程（即吸收电子的过程）被取走，式的反应才能继续存在，否则该式将是可逆的。
一种常见吸收电子的阴极过程是吸氧过程,见下式：
O2+2H2O+4e-
-40H・
氢氧根OH■和铁离子Fe2+
结合，就会产生铁锈，即Fe2O3
2Fe2+
+60H・
->Fe2O3-3H2O
综合阳极过程和阴极过程,即联合上两式,可写出下
4Fe+nH2O+3O2—2Fe2O3・nH2O
由上式可以看出,钢管生锈的条件为第一要接触水（或
潮湿的空气）,第二要接触空气，以提供02前者是阳极过程，后者是阴极过程。
实验表明,和腐蚀介质相接触的阳极金属介面上会形成一层致密的复层,即纯化膜,它能阻碍阳极金属进一步溶解。
但金属构件,如钢管受到一走大小的拉伸应力作用时,由于应力集中,在裂纹尖端附近存在很高的拉伸应力
场,它能阻碍裂纹尖端表面形成纯化膜，从而把新鲜的金
属暴露在腐蚀介质面前，并造成裂纹的扩展,这就是应力腐蚀。
如果作用在构件上的是压应力或是拉应力，但数值很
小时,这就无法使裂纹尖端的纯化膜膜破裂,因此裂纹也
就不会扩展,故应力腐蚀除腐蚀所需要的条件之外,还得
存在一定大小的拉伸应力。
正由于阳极溶解过程中除裂纹尖端表面外，其余部分全被纯化覆盖,故应力腐蚀时，仅是裂纹尖端向前扩展。
应力腐蚀中一个重要的分枝，即氢应力腐蚀，简写为
HSC,系由英文HydrogenStressCracKing而来。
吸收电子的阴极过程除了吸氧反应外，还有放氢过程，如：
在阴极形成的氢原子［H］有两条去路”一是原子氢结合成分子氢，并放出来：
另一条去路是氢原子通过扩散进入金属内部，进入金属内部的［H］使金属原子的结合力下降，基体脆化，这种以阴极放氢导致的破坏称为氢脆。
氢的来源除上述的阴极放氢反应外，对于管道来说,主要来自输送介质，如H2S气体。
近若干年来的研究表明,对管道的阴极保护也会在金属的外表面产生［H］。
氢应力腐蚀象其他应力腐蚀一样,除有腐蚀性介质外，还有另一重要条件，即必须受到一走大小的拉应力。
二、KIscc及da/dt
KIscc为应力腐蚀临界强度因子。
由本书的第三童可知，当原始裂纹长度为2a,由于内
压而引起的应力为。
时，在管线中裂纹尖端的应力强度因子
为：
当KI当KI>Kc,起裂
如果原始缺陷长度为aO,应力为ol,求出的应力强度因子为[KI]1z而[KI]11,故[KI]2<[KI]1,在图2-5-10中[KI]2在[KI]1,的下方，如在同一腐蚀环境下工作，由于应力下降,裂纹增长速度da/dt缓慢,aO达到ac的时间为t2,t2tlo
随着外加应力不断下降,KI也随之下降，由aO增长至ac所需要的时间也越长,当KI低于某一临界值称为应力腐蚀临界强度因子,用KIscc表示。
图2—5—10KI—t曲线
见图2—5—11,在A0的应力强度应子为Kcz此时对应的断裂时间t=0,[KI]1与Bl的交点为Cl,[KI]2与B2的交点为C2,以此类推，连接AO,Cl、C2、…得出一条曲线（为图中的实线），该曲线为KI与断裂时间的关系曲线,KIscc为该曲线的渐近线。
当应力腐蚀裂纹前端的KI>KIscc时,裂纹就随时间而变大，单位时间内裂纹由于应力腐蚀而产生的扩展量称为
应力腐蚀扩展速率，用da/dt表示。
da/dt与多种因素
有关。
下面将作详细论述:
da/dt与KIscc的关系大致如图2—5—11所示,由图看出,da/dt与KIscc关系可分为三个阶段：
第I阶段,KI刚超过KIscc裂纹经过一段孕育期,突然加速发展；第口阶段,da/dt与KI的关系不大，第HI阶段，裂纹长度已接近临界尺寸,da/dt又明显依赖于KI。
国外近若干年来，有些管道研究工作者倾向于用oth代替
KIscc来表示应力腐蚀的应力界限值，oth的定义为：
〃当钢管中的应力高于此应力时,则可能产生see,低于此应
力值时,则不可能产生see,此应力界线值称为应力腐蚀拉应力的界线值,或称门槛值,用Oth表示〃th为英文
"thresholdstress'1前面的两个字母。
所以选用Crth有以下原因：
（1）oth值易于由试验中取得；
（2）oth与内压P直接相关联,似乎更有实际意义。
当oth求出后，可求出在具体条件下的KIscc值。
硏究表明，以下诸因素影响oth值：
（1）腐蚀介质对crth的影响
不同的腐蚀介质及不同的介质浓度均对oth有影响。
图2—5—12为X52管材在NaNO3及NH4NO3水溶液中不同重量浓度对oth的影响，由图看出，浓度越高oth值越低,不同腐蚀介质对oth也有很大影响。
（2）管子与土壤间的电化学电位对Qth的影响
对任何已知环境,应力腐蚀只在很窄的一段电化学电位范围内才能产生,而且在这一范围内的oth,也是随电位而变化的。
见图2—5—13.
图2—5—12不同介质及浓度对crth的影响
图5—2—13为X52管材在4・8%Ca2CO3禾口
7・6%CaHCO3水溶液中，不同电位对盯oth的影响，由图看出,在这一特定情况下,电位为・0.70伏时,oth最低，亦即最易产生应力腐蚀，向两侧偏离Qth迅速提高。
（3）应力状态对oth的影响
应力的波动对crth有很大影响，见图2—5—14e图
2—5—14为X52管材,在Ca2CO3浓度为4.8%,CaHCO3浓度为7・6%的水溶液中的情况z在静荷载下，oth"・25（SMYS），但应力波动时，oth有所降低，波动幅度为±1.5%”由此看出,波动的频率越低,oth降低值也越大。
如果波动频率为每三天一个循环,应力变化幅度为±1・5%~±5%,这时Qth值只有静荷载时％值的
图2—5—13电化学电位对crth的影响
图2—5—14应力波动对oth的影响
（四）人工时效对crth的影响
钢材使之产生永久变形以后,再加热至某一温度,并维持一走时间的这一过程称为人工时效。
钢管在制造过程中先压成U形，再进一步压成O形，焊接后，再经过涨管整形，在整个制造过程中钢材经历了永久变形。
对于螺旋钢管,在制造过程和滚卷过程中,亦产生永久变形。
钢管在加设外涂层或（和）操作过程中,有可能需要加热,这样就形成了人工时效。
见图2—5—12，该图为X52钢管,在14°C下维持一小时,形成了人工时效,实践为经历了人工时效的情况,虚线为未经人工时效的情况（虽有永久变形，但未加热）,由
图看出，在2%永久变形时，oth值最低。
除以上因素外,还有一些其他因素也影响。
th值,如钢材在热轧过程中,表面脱炭可使oth有所下降,管材表面径喷丸处理后,又使oth有所上升。
总之，影响Qth的因素是很多的,为了准确事先估计oth值也是十分困难的。
图2—5—15时效的影响
三、氢应力腐蚀（氢脆）
1955年就曾经发生过由于氢应力腐蚀（简称HSC）而产生管道断裂的事故,此后曾经进行过大量的硏究工作”但至今仍有许多理论问题未曾搞清楚,而且硏究工作者在这一领域内的许多认识还是互相矛盾的。
但是,以下几点是大家共同肯定的：
（1）钢材的强度极限高于某一数值时,才可能产生HSC现象,通常这一数值被认为是7000~7700kg/cm2
（100-110x103
Ib/in2
）；
（2）钢材必须承受拉应力,且该拉应力必须高于某一确走的I缶界值时（该临界值与钢材的强度等级有关）才可能产生HSC;
（3）原子氢必须溶解于钢材中，且必须达到一走的浓度时，才能产生HSC。
换句话说,只有同时满足以上三个条件,才有可能产生HSC。
有时人们常把HSC与其他的SCC现象相同混淆。
HSC与其它SCC相比，有以下特点：
（1）由HSC产生的破裂面上无沉积物，一般呈白色，而
其它see的破裂面上有明显的黑色沉积物,其成分常为
Fe3O4禾口PeCO3;
⑵从外表看,HSC裂纹扩展比较平滑z而其它SCC裂纹扩展呈锯齿形；
（3）HSC裂纹一般无分枝，而其它SCC为多分枝的；
（4）HSC裂源处的金属金相组织为马氏体，而其它SCC裂源处的金相组织多为铁素体和珠光体；
（5）HSC所产生的断裂一般为脆性断裂，且多为穿晶破坏，其它SCC断裂则不一走。
（_）产生HSC所需要的最低拉应力
见图2—5—16,图的纵坐标为作用的应力，横坐标为破坏所需的时间。
由图看出，作用的应力越小,则破坏所需的时间越长,当应力降低至某一确走数值时,破坏时间可无限延长,即破坏不可能发生,这一应力值称为HSC的应力的临界值或门槛值。
当输送介质中含H原子的浓度甚高，并无法降低时，则通常须把操作应力降低至门槛值以下。
图2—5—16HSC破坏时向与作用应力的关系
HSC的应力门槛值与材料的强度极限有明显的关系,材料的强度极限越高,HSC的应力门槛值越低,请参见图2—5—17e
图2—5—17HSC应力门槛值与材料强度极限的关系
（二）硬点（hardspot）造成的破坏
硬点是在钢板滚轧过程中形成的，调查表明硬点处的
强度极限可高达12000kg/cm2
如前所述HSC的门槛值与材料的强度极限有关，强度极限越高，门槛值越低,故硬点常常成为HSC的裂源，为了消除硬点,有些管材轧制后,要进行回火处理。
（三）氢原子的来源
对于管道来说，氢原子主要有两个来源：
（1）在输送介质中含有H2S的成分；
（2）近年来的调查表明z阴极保护可能在金属的外表面产生氢原子。
所以天然气进入管线以前必须进行处理,使之达到钢管允许的范围之内。
国外有些输气公司对进入输气干线的天然气进行24小时的监控,当有害物质超限时发出警告,必要时关断气源。
四、温度对SCC的影响
大量的硏究表明,温度可使裂纹的增长速率da/dt增加,见图2—5—18e由图看出，随着温度的增加，da/dt迅速增加。
R.R・Fessler还给出了以下公式:
G二Aexp（・Q/RF）
式中：
C——裂纹的增长率；
A——与环境条件及钢材有关的常数”但与温度无关；Q——激活能；
R——气体常数；
T——绝对温度。
图2—5—18温度对da/dt的影响（在Na2CO3及
HaHCO3溶液中）
激活能Q与环境有关，对于Ca2CO3及GaHCO3水溶液，Q=10000cal/克分子量，对于CaOH为Q“7000cal/克分子量等等。
由上式也可看出,环境温度越高，则G越大。
此外SCC只在较窄的电化学电位范围内产生z温度增加可使该电位的范围加宽，见图2—5—19o
图2—5—19为管材在Na2CO3和NaHCO3水溶液中SCC的情况。
由图看出,随着温度的增加,可引起SCC的电化学电位大大加宽。
另外从事故的调查统计中也可以说明温度的影响，在由于SCC而引起的气管线的断裂事故中,有65%的事故在离出站端8公里范围内，有92%的事故在离出站端16公里范围内,这是因为出站端压力,温度均较高造成的。
五、使用寿命的估计
在估计寿命之前，首先要根据试验或其它可靠的资料求得KIscc和da/dt。
da/dt系中第口阶段的数值。
（一）产生SCC可能生的判断
当满足以下条件时,则可能产生应力腐蚀断裂
图2—5—19温度对引起SCC的电位的影响
KI>KIscc
式中：
KI——在管线中,裂纹尖端的应力强度因子（kg/mm3/2
）；
KIscc应力腐蚀临界强度因子,kg/mm3/2
O
当不能满足时,则不具备产生see的条件,因而不必考虑SCC问题,若满足式,则需考虑SCC问题，但如果在整个使用寿命范围内KI仍未能达到临界裂纹长度Kc时，管线将仍然是安全的。
（二）使用寿命的估计
由图2—5—18可看出z在第II阶段da/dt为一常数,这样可按下式求出使用寿命t:
式中：
t使用寿命,a;
ac临界裂纹长度,mm;
aO原始裂纹长度,mm;
da/dt裂纹扩展速度,mm/a;
求出的寿命f是比较保守的，因为计算时略去了第I和第皿阶段。
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