阴极保护对高强度埋地管道应力腐蚀影响的研究进展

鲜 宁， 荣 明， 姜 放， 施岱艳

（1. 中国石油集团管力学与环境重点实验室四川分室， 成都610041；2. 中国石油工程建设公司西南分公司， 成都610041）

0 前 言

管线钢土壤环境下的应力腐蚀开裂 （SCC）有两种类型， 即沿晶型应力腐蚀开裂 （IGSCC）和穿晶型应力腐蚀开裂 （TGSCC）， 这两种开裂也称为高pH SCC 和近中性pH SCC， 应力开裂是影响埋地管道安全和完整性的主要因素之一。1996 年加拿大能源委员会针对油气输送管道（B～X65 钢级） 的SCC 开展了调查并形成报告[1]，在此基础上， 加拿大能源管道协会 （CEPA） 制定了近中性pH SCC 管理推荐实施细则[2]。 这些研究和措施均意味着管道的SCC 可能会造成严重的后果， 因此它是管道完整性管理过程中的关注重点。

随着我国油气输送管网的快速发展， X70、X80 钢已经得到了广泛应用， X90 和X100 钢也已经被成功开发。 根据张继明等[3]对管线钢显微组织的统计， 随着钢级的增加， 其显微组织也存在差异： X65 以下管线钢主要为铁素体/珠光体，X70、 X80 钢主要为针状铁素 体， X90 和X100钢主要为贝氏体。 一般认为， 高pH SCC 的机理为阳极溶解或者阳极溶解与氢脆的协同作用； 近中性pH SCC 的机理为阳极溶解、 阳极溶解与氢脆的协同作用或者氢损伤[4-9]。

阴极保护是长输管网常见的防腐措施， 外加电位越负， 则相对于氢电位的过电位越高，阴极反应产生的氢气量越多， 氢脆损伤的影响可能越大， 特别是高强度管线钢。 因此， 阴极保护对高强度管线钢的土壤应力腐蚀的影响值得研究探讨。 本研究拟通过介绍阴极保护对外防腐层的影响， 以及对比分析不同强度材料在阴极保护下的应力腐蚀试验研究成果， 为高强度管线钢在阴极保护下的应力腐蚀行为提供一个全面的认识， 以期为我国高强度管网完整性管理提供参考。

1 阴极保护电流/电位对外防腐层完整性的影响

在埋地管道的外防腐层完好的状态下， 涂层将腐蚀介质和管道外表面完全隔离开， 此时管道不具备发生应力腐蚀开裂的必要条件， 因此， 不会发生应力腐蚀开裂。 埋地管道的涂层破损通常来自于以下3 个方面： ①阴极剥离； ②土壤应力导致的管道涂层破裂； ③机械破坏。 过高的强制电流或者过负的外加电位都会加剧涂层的阴极剥离程度[10-13]。

1.1 强制电流

Mark Yunovich 等[13]研究了强制电流对4 种不同涂层（HPCC、 FBE1、 FBE2、 LE） 在3 种近中性土壤环境 （DOH、 RNM、 TCO） 下的阴极剥离的影响， 试验时电流密度分别选择2.0 mA/ft2、20 mA/ft2和200 mA/ft2。 试验结果显示， 不同的涂层， 强制电流导致的阴极剥离直径存在差异，4 种涂层耐阴极剥离的排序为HPCC＞LE＞FBE2＞FBE1； 随着强制电流密度的增加， 涂层的剥离直径增大， 电流密度达到200 mA/ft2时， 涂层的剥离直径显著增加。 图1、 图2 和图3 分别为根据TCO、 RNM、 DOH 三种土壤环境下的剥离试验数据整理获得的强制电流与涂层阴极剥离直径的关系。

图1 TCO 土壤环境下强制电流对涂层阴极剥离的影响

图2 RNM 土壤环境下强制电流对涂层阴极剥离的影响

图3 DOH 土壤环境下强制电流对涂层阴极剥离的影响

1.2 外加电位

王贵容等[12]针对阴极保护电位对海水环境下破损环氧涂层阴极剥离的影响进行了研究， 发现随着电位的负移， 涂层剥离面积逐渐增大， 在室温静态海水环境下， -750 mVSCE保护电位对于破损涂层的金属基体欠保护； -1 050 mVSCE电位极化下发生严重的析氢现象， 破坏了钙质沉积层的完整性， 界面碱化程度较大， 涂层剥离面积最大； -850 mVSCE和-950 mVSCE保护电位均能抑制破损处金属的腐蚀； -950 mVSCE保护电位下生成的CaCO3和Mg（OH）2钙质沉积层完整致密， 保护效果最佳。

在饱含水的粘土环境下， 针对阴极保护电位对3PE 防腐层的剥离影响进行了实验室模拟研究， 其阴极保护电位与剥离直径的关系如图4 所示。 由图4 可见， 随着阴极电位的负移， 剥离直径逐渐增大。 当阴极电位从-850 mVCSE负移至-1 100 mVCSE时， 剥离直径增幅较缓； 当电位低于-1 200 mVCSE时， 剥离直径显著增加。 试验结果表明， 在较负的阴极保护电位下， 3PE 防腐层剥离直径显著提高。

图4 阴极保护电位与剥离直径的关系

2 外加电位对管线钢SCC 的影响

管线钢土壤环境下的SCC 研究方法很多， 常见的力学试验有慢应变拉伸 （SSRT）、 循环载荷加载和恒载荷加载， 试样又分为光滑试样和预制裂纹试样[14-29]。 每一种试验方法都有各自的优点及其局限性， 采用不同的试验方法获得的试验结果并非完全相同。 对管线钢SCC 敏感性分析时，需要结合试验方法和试验结果进行综合考虑。 图5 为Tomohiko Omura 等[15]采用不同的试验方法对X80 钢在近中性环境下进行SCC 试验后建立起来的SCC 敏感性与氢渗入量和力学之间的关系，由图5 可见， SSRT 最为敏感， 而恒载荷最不敏感。 下面将分别介绍采用这3 种不同试验方法时外加电位对管线钢SCC 影响的研究情况。

图5 SCC 敏感性与氢渗入量和力学之间的关系

2.1 SSRT 试验

SSRT 是一种以力学为主导的试验方法， 主要采用光滑试样， 是管线钢土壤应力腐蚀开裂评估中应用最多的试验方法， 其试验结果对SCC最敏感。 对文献[4-5] 和文献[21-28] 中SSRT 试验结果的统计分析表明， 在相同试验条件下， 不同试验室获得应力敏感指数的整体趋势基本一致， 对于具体的应力腐蚀敏感性指数 （ISCC），不同实验室之间的数值有时会出现较大的差异。对不同实验室在施加不同外加电位下X80 母材和焊缝的SCC 行为的试验结果进行统计分析，基于延伸率对比获得ISCC 与外加电位之间的变化趋势如图6 所示。 由图6 可见， 在近中性pH环境下， 尽管不同实验室得到的敏感指数数值存在差异， 但其应力指数随外加电位的变化趋势是一致的， 随着电位负移， SCC 敏感指数逐渐增加， 即电位越负， X80 管线钢的SCC 敏感性增加。 此外， 对比X80 母材和X80 焊缝的SCC 试验结果， 焊缝较母材对SCC 更为敏感。

图6 X80 母材和焊缝在SSRT 试验后SCC 敏感性与外加电位的关系

对于范林等[4]报道的X80 母材在高pH （pH=9.62） 环境的SCC 试验， 尽管基于延伸率对比获得ISCC 相对较小， 但若采用断面收缩率来评估应力指数， 其敏感性明显不同， 随着电位负移，SCC 敏感指数将逐渐增加。

R.W.Revie 等[29]在近中性pH 环境下对不同钢（X70、 X80、 X100 和X120 钢） 在不同外加电位下的SSRT 试验， 根据其试验结果， 基于断面收缩率对比获得ISCC 与外加电位之间的变化趋势如图7 所示。 随着外加电位的负移， 所有钢的应力敏感性均增大； 随着钢级的增加， SCC 敏感性也在增加。 相比之下， X100 和X120 管线钢在自腐蚀电位（Ecorr）、 -776 mVSCE（-850 mVCSE） 以及Ecorr为-100 mV 就已经具有非常高的SCC 敏感性。

2.2 循环加载试验

循环加载试验通常采用预制裂纹试样或预制刻槽试样， 可获得模拟管道在压力波动下裂纹萌生与扩展的情况， 通过观察是否起裂或者测量裂纹扩展速率来衡量材料SCC 行为。 最大载荷、应力比R 对循环加载后的裂纹扩展速率影响较为明显， 通常最大载荷越大、 R 越小（即应力波动越大）， SCC 裂纹扩展越高。 Tomohiko Omura等[15-16]则采用预制刻槽的试样进行试验， 在相同外加电位和加载应力比例的条件下， X52、 X65 和X80 钢的开裂情况相当。

图7 不同管线钢在SSRT 试验后SCC 敏感性与外加电位的关系

Beavers 等[20]对3 种X65 钢的预制裂纹CT 试样加载循环载荷， 测试了在未加阴极保护条件和施加阴极保护条件下 （Ecorr： -700～720mVSCE； 阴极保护电位： -900mVSCE、 -910mVSCE） 的裂纹扩展速率， 试验结果如图8[20]所示。 对于原始裂纹扩展速率相对较大的两种X65 钢试样（A-20、C-2）， 在施加阴极保护电位后， 其裂纹扩展速率减缓； B-4 的原始裂纹扩展速率相对较低， 在施加阴极保护电位后， 其裂纹扩展速率未发生明显变化。 但是， 崔中雨针对不同外加电位下对X70钢在近中性pH 环境下裂纹扩展速率排序为[9]：-1 200 mVSCE＞-750 mVSCE（Ecorr） ＞-850 mVSCE，即-850 mVSCE时抑制了裂纹扩展速率， 但是在-1 200 mVSCE时则促进了裂纹扩展速率。

图8 X65 钢在是否有阴极保护下的裂纹扩展速率

2.3 恒载荷加载试验

恒载荷加载往往需要较长的试验周期才能观察到裂纹萌生， 通常采取记录裂纹的萌生时间或者对比裂纹特征 （长度、 深度、 数量） 来衡量SCC 的敏感性。 张良[27]采用光滑试样对X80 母材在近中性环境下开展了为期720 h 的SCC 试验，即使加载90%AYS 也未开裂。 此外， Tomohiko Omura 等[15-16]则采用预制刻槽的试样进行试验，在外加-1 250 mVSCE的近中性环境下， X80 和X52 钢试样在加载90%AYS 经历28 天试验后未发生开裂。 采用光滑试样， 管线钢在土壤环境下30 天很难观察到裂纹萌生与扩展。 为了对比X80和X100 钢的SCC 敏感性， LI Yan 等[14]在近中性环境下开展了220 天的长周期试验， 加载应力为95%SMYS。 基于外加电位， 其试验条件为：①无外加电位（No CP）； ②-750 mV （vs SCE， 以下情况相同）； ③-776 mV （对应为-850 mVCSE）；④-776 mV 间歇（110 天No CP+110 天-776 mV）；⑤-840 mV （自腐蚀电位降100 mV）； ⑥-1126 mV间 歇 （ 110 天 No CP +110 天-1 126 mV) ；⑦-1 126 mV （对应-1 200 mVCSE）。 当外加电位在-840 mV 和-1 126 mV 试 验 条 件 下， X80 和X100 钢试样表面未发现裂纹萌生； 其余试验条件则均有裂纹萌生与扩展。 图9～图11 分别为根据LI Yan 等人的试验结果进行分析整理获得的平均裂纹深度、 裂纹长度和裂纹数量的对比图。试验结果显示： 阴极保护对X80 和X100 管线钢的裂纹萌生和扩展具有一定抑制作用， 随着外加电位的负移， 对裂纹萌生及其扩展的抑制作用增加； 相比之下， 氢对X100 管线钢的影响明显高于X80 钢， 在相同试验条件下， X100 管线钢的裂纹深度更大， 裂纹数量更多。

图9 X80 和X100 钢在不同试验条件下的平均裂纹深度

图10 X80 和X100 钢在不同试验条件下平均裂纹长度

图11 X80 和X100 钢在不同试验条件下的裂纹数量

3 认识与建议

根据Bathub 模型， 管道中SCC 裂纹生长寿命分为4 个阶段： ①SCC 条件未形成阶段； ②裂纹萌生阶段； ③裂纹稳定扩展阶段； ④裂纹快速扩展直至断裂阶段。 外防腐层完好时则不满足发生SCC 的三要素， 即SCC 条件未形成阶段； 当外防腐层剥离或破损且地层水达到管道表面， 才满足发生的SCC 条件， 裂纹的萌生需要时间来孕育， 恒载荷加载试验与这一阶段较为接近， 倾向于评价裂纹的萌生和早期扩展； 采用循环载荷加载测量裂纹的扩展速率则倾向于评价裂纹的扩展阶段； 慢应变拉伸提供持续应变直至试样断裂， 更倾向于评价裂纹的快速扩展直至断裂阶段。 采用不同的试验方法对管线钢进行SCC 试验获得的试验结果存在差异， 说明阴极保护对于SCC 裂纹生长寿命各阶段具有不同的影响。 阴极保护对管线钢SCC 试验结果的统计分析结果可见： 过负的阴极电位或者过高的强制电流都不利于防腐层保持完整性， 会增加防腐层的剥离直径； 采用不同试验方法获得阴极保护对管线钢SCC 的影响存在较大差异， 慢拉伸试验规律为随着阴极电位的负移， 管线钢的SCC 敏感性增加；采用循环加载试验， 自腐蚀电位下降200 mV内， X65 和X70 管线钢的裂纹扩展速率均得到抑制， X70 管线钢在自腐蚀电位下降450 mV 的阴极保护电位下， 裂纹扩展速率增加， 阴极电位对SCC 裂纹扩展速率的影响规律存在差异， 但现有的试验数据量不够充分， 需进一步研究其影响规律； 采用恒载荷试验， 阴极保护有利于抑制X80 和X100 钢在近中性环境下的裂纹萌生， 但阴极电位与自腐蚀电位差值小于100 mV 时， 未能阻止裂纹的萌生与扩展， 随着阴极电位的负移， 裂纹萌生的数量增加， 但裂纹深度降低， 电位越负， 其抑制效果越明显， 在相同试验条件下， X100 钢的裂纹深度较X80 钢更深。

阴极保护对高强度管线钢应力腐蚀的影响在国内外均备受重视， PRCI 和CEPA 在近20 年已经开展了3 个相关专题研究， 以期建议有效地阴极保护电位来缓解应力腐蚀开裂。 鉴于不同试验方法获得的试验结果并不一致， 目前仍未能针对不同钢级给出具体的有效阴极保护电位。 结合现有试验数据的统计分析， 笔者建议： ①避免采用导致涂层大幅剥离的过负电位或过高的强制电流； ②恒载荷加载试验和循环加载试验下， 阴极电位对裂纹扩展的影响规律存在不一致现象， 阴极保护电位对SCC 裂纹产生速率的影响仍需深入的研究； ③恒载荷与SSRT 试验结果均显示，X100 钢比X80 钢具有更高的SCC 敏感性， 建议对于X80 以上钢级， 在工程实际应用前宜针对土壤环境下的应力腐蚀开展研究， 并制定相应的防护措施， 降低SCC 风险。