摘要：闡述了埋地鋼質(zhì)管道應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素和類型，總結(jié)了國內(nèi)外典型的管道應(yīng)力腐蝕開裂事故和研究狀況，提出了預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞：應(yīng)力腐蝕開裂；埋地鋼質(zhì)管道；腐蝕環(huán)境；應(yīng)力
Stress Corrosion Cracking of Buried Steel Pipeline
and Its Prevention
CHE Li-xin，DUAN Chang-gui
(Haerbin Institute of Technology，Haerbin 150090，China)
Abstract：The influencing factors and types of stress corrosion cracking(SCC)of buried steel pipeline are described，the domestic and foreign typical accidents and the research status of SCC on pipeline are summarized，and the precaution measures are put forward．
Key words：stress corrosion cracking； buried steel pipeline；corrosion environment；stress
1 概述
??? 目前，我國現(xiàn)有油氣長輸管道超過3×104km，其中60％已進(jìn)入事故多發(fā)期。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)和更新改造也在快速發(fā)展。由腐蝕、開裂和機(jī)械損傷等造成的事故十分頻繁，預(yù)防埋地管道產(chǎn)生腐蝕破壞，保障管道的長期安全運(yùn)行，成為備受關(guān)注的重要問題。
??? 據(jù)有關(guān)國家調(diào)查統(tǒng)計，每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占當(dāng)年本國國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的1.5％～4.2％。因此，對埋地管道的腐蝕已開展了多年的研究，取得了許多有意義的成果。但由于管道的土壤環(huán)境的變化、工況條件的變化、管道制作及腐蝕控制措施的不同，存在的腐蝕類型也發(fā)生了變化。例如，近年來頻繁出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕事故，對應(yīng)力腐蝕開裂的研究逐漸增多。據(jù)加拿大11家公司對1985年一1995年間油氣管道事故的統(tǒng)計，應(yīng)力腐蝕開裂占破壞事故總數(shù)的17％；日本三菱化工機(jī)械公司對10a中破壞事故的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明，應(yīng)力腐蝕開裂事故占45.6％。
??? 經(jīng)驗表明，應(yīng)力腐蝕開裂是埋地管道發(fā)生突發(fā)性破壞事故的主要危險之一。從腐蝕的類型看，點腐蝕和縫隙腐蝕造成的危害性相對較小，易于控制，而應(yīng)力腐蝕開裂事故往往是在沒有明顯預(yù)兆的情況下，突然發(fā)生管道的災(zāi)難性破壞，其后果極其嚴(yán)重。因此，必須高度重視埋地管道的應(yīng)力腐蝕開裂，通過研究提出相應(yīng)的預(yù)防措施，將其造成的損失降到最低限度。
2 應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素
? ??應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking，簡稱SCC)是指受拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。埋地鋼質(zhì)管道運(yùn)行中引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂必須同時具備3個條件，即應(yīng)力、特定的腐蝕環(huán)境和敏感的管道材料。
? ??①應(yīng)力
? ??應(yīng)力的主要作用是使金屬發(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)生滑移，促進(jìn)SCC裂紋形成、擴(kuò)展和斷裂。對于管線鋼，應(yīng)力可以來源于管道工作壓力，也可以是腐蝕產(chǎn)物膜產(chǎn)生的體積應(yīng)力或材料制造過程中的殘余應(yīng)力。管道承受的應(yīng)力按方向分為軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力， SCC裂紋在徑向應(yīng)力的作用下沿軸向萌生和擴(kuò)展，而在軸向應(yīng)力的作用下沿徑向擴(kuò)展。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力存在一個臨界值，不僅應(yīng)力的大小，而且應(yīng)力的波動也是影響SCC的力學(xué)因素。管道應(yīng)力波動主要來源于管道工作壓力的循環(huán)波動。由于管道運(yùn)輸向著大口徑、高輸送壓力方向發(fā)展，因而工作壓力的影響不可忽視，而工作壓力可產(chǎn)生徑向應(yīng)力進(jìn)而導(dǎo)致軸向SCC的產(chǎn)生。
? ??②腐蝕環(huán)境
? ??金屬管道只有在特定的腐蝕介質(zhì)中才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，對油、氣輸送管道，內(nèi)部腐蝕介質(zhì)的影響因素主要為H2S，外部腐蝕介質(zhì)的影響因素主要為土壤和地下水中的NO3-、OH-、CO2-3、HCO3-和 Cl-等。另外，陰極保護(hù)電位和環(huán)境pH值對管線鋼的SCC也有重要影響。
? ??③管道材料
? ??金屬材料的敏感性與鋼材種類、鋼材的等級、制造工藝、表面狀態(tài)有關(guān)。
管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂是腐蝕和應(yīng)力兩種因素通過相互協(xié)同作用而促進(jìn)發(fā)生的，這兩種因素的聯(lián)合作用所引起的破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一因素分別作用后再疊加起來的結(jié)果。產(chǎn)生SCC的應(yīng)力不一定很大，遠(yuǎn)低于管線鋼的屈服極限，若沒有腐蝕介質(zhì)存在，管道可以長期服役而不會發(fā)生任何腐蝕破壞；反之亦然，產(chǎn)生SCC的特定介質(zhì)的腐蝕性往往也是輕微的，如果沒有應(yīng)力存在，材料在這種介質(zhì)中可能是足夠耐腐蝕的。因此，應(yīng)力腐蝕開裂是最嚴(yán)重的局部腐蝕破壞形式之一。
3 管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂的類型
??? 按照內(nèi)外腐蝕介質(zhì)對管線鋼的影響，可分為受土壤中腐蝕介質(zhì)影響的應(yīng)力腐蝕開裂和受管內(nèi)腐蝕介質(zhì)影響的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂兩類。管線鋼在土壤中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂主要分為高pH值沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂IGSCC和近中性低pH值穿晶型應(yīng)力腐蝕開裂(TGSCC)兩種類型。
3．1 高pH值沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂特征[1、2]
??? ①發(fā)生在濃的碳酸鹽和碳酸氫鹽環(huán)境中，介質(zhì)的pH值較高，通常為9～11。
??? ②裂紋形態(tài)為沿晶型，裂紋密而窄，側(cè)壁無明顯腐蝕，沿晶型裂紋為主。
??? ③與溫度有關(guān)，在22～90℃下，裂紋擴(kuò)展速率隨溫度上升而成指數(shù)關(guān)系增大。
??? ④裂紋多出現(xiàn)在距加壓站1～2個控制閥處，該部位的壓力和壓力波動比稍遠(yuǎn)的下游高。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。
??? ⑤與特殊的地勢、干濕交替的土壤以及可使防腐涂層剝離或損傷的土壤有關(guān)。
⑥發(fā)生在特定的開裂電位范圍，隨溫度變化，在室溫下的開裂電位(參比電極為飽和甘汞電極)為-520～-750 mV。
3．2 近中性低pH值穿晶型應(yīng)力腐蝕開裂特征[1、2]
??? ①一般發(fā)生在涂層受損、剝離和多孔滲水處，在含CO2的稀電解液中形成，pH值為5.5～7.5。
??? ②裂紋形態(tài)為穿晶型，側(cè)壁有明顯腐蝕，裂紋深入擴(kuò)展后變窄，以較寬的穿晶型裂紋為主。
??? ③與溫度無明顯關(guān)系，也發(fā)生在地下水中 CO2含量較高的寒冷地帶。
??? ④曾經(jīng)探測到在距加壓站67 km處出現(xiàn)穿晶型應(yīng)力腐蝕開裂裂紋。65％的失效發(fā)生在加壓站和下游第1個閥之間(16～30km)，12％的失效發(fā)生在第1個和第2個閥之間，5％的失效發(fā)生在第2個和第3個閥之間，18％的失效發(fā)生在第3個閥的下游。
??? ⑤與特殊的地勢、干濕交替的土壤以及可使涂層剝離或損傷的土壤有關(guān)。
⑥發(fā)生在自然腐蝕電位為-760～-790 mV處。由于涂層的屏蔽或其他原因，陰極極化無法到達(dá)管子表面。
3．3 硫化物應(yīng)力腐蝕開裂
我國生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)挠蜌庵袕V泛存在著硫化氫，致使油氣輸送管道的內(nèi)壁存在著硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)的威脅。如果在輸送氣體中含有水分，H2S、 CO2溶于水中便形成了腐蝕性介質(zhì)，管道表面的各種缺陷為易腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)，在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用下，在金屬表面鈍化膜破裂處及其他缺陷處一般產(chǎn)生點腐蝕，在點蝕坑的底部易引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的初始裂紋，并通過應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用使裂紋繼續(xù)生長擴(kuò)展，直至材料失穩(wěn)斷裂。
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