高强度管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂的影响因素*

张 良，贾海东，杨永和，罗金恒，黄忠胜，徐春燕

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院CNPC石油管工程重点实验室，西安710077；2.中石油西部管道公司，乌鲁木齐830011）

应力腐蚀开裂（stress corrosion cracking，SCC）是金属材料在拉应力和特定腐蚀环境共同作用下产生的一种低应力脆断现象。目前，绝大多数管道采用埋地敷设，并采用涂层+阴极保护的联合防护措施，以有效减缓或防止管线钢在土壤环境中的腐蚀。埋地管道在运行过程中，因涂层自然老化等原因，管道涂层破损不可避免，涂层破损处管道在土壤环境和应力作用下发生应力腐蚀开裂在所难免。因此，应力腐蚀开裂被认为是埋地油气输送管道突发破裂事故的主要危险之一，管线钢在土壤环境中的SCC失效在世界范围内屡见不鲜，美国、加拿大、前苏联、澳大利亚、伊朗和巴基斯坦等国家均发生过由应力腐蚀开裂导致的管道泄漏和断裂事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡[1-2]。

SCC可分为高pH SCC和近中性pH SCC两种。高pH SCC发生的pH值为8.0～12.5，对其机理的研究较为成熟；近中性pH SCC发生的pH值为5.5～8.5，国际上已经开展了许多研究工作，但主要集中在X70及以下钢级管线钢的近中性pH SCC机理及规律[3-5]。

随着能源需求的迅猛发展，选用高钢级管线钢已成为高压天然气输送的新趋势。工业发达国家普遍将X80和X100管线钢列为21世纪油气输送管线的主要用钢，已进行了大量研究和工程实践，但是钢的级别越高，对氢脆的敏感性越大，管线发生SCC的风险就越大，高强度管线钢一旦发生SCC，造成的损失更大。以西气东输二线为例，土壤pH值在5.5～7.5（近中性pH环境）的管线共1 842.929 km，占主干线全长37.13%。近中性pH环境的管段主要集中在湖北安陆至江西九江段，占主干线全长的18.30%[6]。这说明我国天然气输送管道具备发生应力腐蚀开裂的环境条件。从我国实际情况来看，在未来几十年中，X70以上级别的管线钢（包括X90和X100）以及0.8设计系数用钢管在我国工程中的应用会越来越多。因此，研究高强度管线钢土壤环境应力腐蚀问题就显得十分迫切。

SCC的发生需要拉伸应力和特定的腐蚀介质，去掉其中任何一个都可以阻止裂纹的萌生或继续扩展。也就是说，发生应力腐蚀开裂需要具备3个特殊因素，即材料、应力和环境，三者缺一不可。本研究通过慢应变速率试验、电化学试验和压力波动试验对近中性pH土壤的应力腐蚀开裂敏感性进行了试验研究，以期对高钢级管道的近中性pH土壤应力腐蚀开裂的有效预防和控制提供理论依据。

1 试验材料及溶液组分

试验材料取自X70和X80钢直缝埋弧焊管（LSAW），钢管规格分别为Φ1 016 mm×21.0 mm和Φ1 219 mm×22.0 mm，其化学成分见表1。采用圆棒试样测得X70和X80焊管母材拉伸性能见表2。

表1 试验用焊管母材的化学成分

表2 试验用焊管母材的拉伸性能

慢应变速率试验、电化学试验和压力波动试验的试验溶液均采用模拟土壤介质的NS4溶液，溶液组分见表3。试验溶液用分析纯试剂和去离子水配置。试验过程中向试验溶液通入5%CO2+95%N2混合气体除氧，使溶液的pH值处于近中性。试验温度为室温。

表3 试验用溶液组分

2 慢应变速率试验（SSRT）

慢应变速率试验（slow strain rate test，简称SSRT）是一种快速测定应力腐蚀破裂性能的试验方法，它能使任何试样在较短时间内发生断裂，因此是一种相当苛刻的加速试验方法。通过试验过程中测定的应力－应变曲线，可以分析出许多反映应力腐蚀敏感性的参数[7]。而且由于试验处于室内环境中，可以在慢拉伸过程中同时研究其他因素（如温度、电极电位和溶液pH值等）对SCC过程的影响。

SSRT依据GB/T 15970.7—2000《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分慢应变速率试验》，在MYB-Ⅱ型慢拉伸试验机上进行，拉伸应变速率设定为10-6m/s。采用板状拉伸试样，试样标距段尺寸为40 mm×6 mm×2.5 mm，试样形状及尺寸如图1所示。根据GB/T 15970.7—2000，试样拉断后可用断裂时间、延伸率、断面收缩率、抗拉强度、断裂功等参数来判定相同环境下X70和X80管线钢的SCC敏感性。

对比空气中和NS4溶液中的SCC敏感性指标，得出各类敏感性指标的损失百分比，从而对比X70和X80管线钢的SCC敏感性。损失百分比越大，则SCC敏感性越强（断面收缩率相反）。SSTR结果见表4，空气和NS4溶液中SCC敏感性指标的损失百分比见表5。由表4和表5可以看出，X80的断裂时间、抗拉强度、延伸率及断裂功的损失百分比均高于X70，X80的断面收缩率损失百分比低于X70，所以X80管线钢在近中性pH环境下的SCC敏感性强于X70。说明随着管线钢钢级的提高，SCC敏感性增强。

图1 SSTR试样的形状及尺寸

表4 SSTR检测结果

表5 空气和NS4溶液中SCC敏感性指标的损失百分比

3 电化学试验

应力腐蚀开裂属于一种电化学反应的观点在国内外已经达成共识，电化学状态是影响应力腐蚀最基本的因素之一，其他因素则是间接对电化学状态产生作用而影响应力腐蚀开裂。应力腐蚀电化学机理认为，合金中存在一条活性通道，当它与两侧的金属或其他相（如碳化物）构成相适应的电位关系时，在适当的电解液中即进行电化学腐蚀，电位较负的一侧将优先溶解。而应力的作用只是撕破表面膜，使裂缝沿着一条狭窄的通道前进。

本研究采用外加电位的恒电位极化试验测量不同电位下的SCC敏感性[8-9]，试样的形状及尺寸如图2所示。采用美国EG&G公司生产的M273恒电位仪，在NS4溶液中通入CO2和N2，通入气体主要模拟土壤介质中高CO2的含量。试验前首先通N2预除氧30 min以上，然后分别在OCP、 －700 mV、－850 mV 和－1 000 mV 不同电位下对X80和X70管线钢母材进行恒电位极化测试，进而对比外加电位对SCC的影响，试验结果如图3所示。由图3可以看出，随着外加电位越负，X70和X80的电流密度逐渐增强，电流密度越大，表示材料发生腐蚀的倾向性越强，即SCC的敏感性越强。说明随着电位负移，SCC敏感性增强。

图2 电化学试样的形状及尺寸

图3 电化学试验结果

4 压力波动试验

采用压力波动试验对管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂的研究一直较少，国外已经开展了一些研究，但主要针对低钢级管线钢[10]。本研究采用疲劳试验机对X80焊缝试样进行高载小幅波动应力腐蚀试验，研究高载小幅波动对X80管线钢近中性pH应力腐蚀开裂的影响。压力波动试验试样的形状及尺寸如图4所示。在100%Rt0.5载荷及0.02 Hz的频率下，以应力比分别为0.75、0.85和1时进行试验，并在试验前预制单边疲劳裂纹。

图4 压力波动试样的形状及尺寸

在应力比为0.75、疲劳预制裂纹1 mm条件下，进行连续不间断高载小幅波动试验，经336 h，循环周次N=22 450次高载小幅波动后，观察试样裂纹的扩展情况。试验前、后宏观裂纹形貌如图5所示。由图5可见，裂纹扩展长度约0.5 mm，平均裂纹扩展速率为0.001 49 mm/h。

图5 应力比为0.75时高载小幅波动试验前、后宏观裂纹形貌对比 50×

在应力比为0.85、疲劳预制裂纹0.8 mm条件下，进行连续不间断高载小幅波动试验，经192 h、循环周次N=12 830次高载小幅波动后，观察试样裂纹的扩展情况。试验前、后宏观裂纹形貌如图6所示。由图6可见，裂纹扩展长度约为0.2mm，平均裂纹扩展速率为0.001 04 mm/h。

图6 应力比为0.85的高载小幅波动试验前、后宏观裂纹形貌对比 100×

在应力比为1、疲劳预制裂纹0.8 mm条件下，进行恒载荷应力腐蚀试验，经384 h后，观察试样裂纹的扩展情况。试验前、后宏观裂纹形貌如图7所示。由图7可见，裂纹扩展长度约为0.15 mm，平均裂纹扩展速率为0.000 39 mm/h。

图7 应力比为1的恒载荷试验前、后宏观裂纹形貌对比 100×

图5～图7的试验结果说明，随着应力比的减小，裂纹扩展速率升高，即SCC敏感性增强。

5 结 论

（1）与空气中比较，NS4溶液中X80管线钢母材的延伸率、断面收缩率以及断裂功下降明显，下降幅度超过10%，最大降幅为13%。而X70管线钢母材这3项指标的下降幅度不明显，下降幅度在10%以内，最大为7.1%。说明随着管线钢钢级的提高，屈服强度升高，其应力腐蚀开裂敏感性也随之增大。

（2）从自腐蚀电位到－1 000 mV，随着电位升高，X70和X80管线钢均表现出敏感性增强的趋势；在－1 000 mV下电流密度值最高，说明在过保护电位下管道近中性应力腐蚀开裂敏感性最强。

（3）采用高载小幅波动试验对疲劳预制裂纹试样进行不同时间的应力腐蚀试验，同时与恒载荷应力腐蚀试验进行对比，发现高载小幅波动试验裂纹扩展速率明显比恒载荷试验扩展速率高。说明高载荷小幅度波动对X80钢在中性土壤环境溶液中应力腐蚀敏感性的提高具有明显的作用。

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