（材料加工工程专业论文）x80管线钢焊接管道应力腐蚀和断裂安全评定研究.pdf

中文摘要 应用动电位扫描技术，测试了x s 0 管线钢及焊接接头在模拟土壤介质( 高 p h 值0 5 m o l ln a h c 0 3 + i m o l ln a 2 c 0 3 溶液和近中性p h 值n s 4 溶液) 中的极 化曲线，分别考虑离子浓度、扫描速度、测试区域对极化曲线的影响，研究了 x 8 0 管线钢及其焊缝在典型模拟土壤介质中电化学腐蚀行为。 采用慢应变速率拉伸试验( s s r t ) 和扫描电镜观察研究x 8 0 管线钢及焊接 接头在上述两种典型土壤介质中的应力腐蚀行为。在0 5 m o l ln a 2 c 0 3 + l m o l l n a h c 0 3 溶液中试样断口形貌在阴极电位条件下呈准解理断裂，在自腐蚀电位和 阳极电位条件下，试样断口主要是韧性断裂。在n s 4 溶液中施加阴极电位时， s e m 断口形貌呈穿晶准解理断裂，具有明显的应力腐蚀特征。施加阳极电位时， 断口形貌为典型的韧性断裂，断口处存在大量的韧窝。两种溶液中s s r t 试验结 果均表明，随着外加电位的负移，断裂时间、断面收缩率、应变量都明显变小， x 8 0 管线钢及焊接接头的s c c 敏感性增加。施加相同外加电位时，焊接接头较 母材的应力腐蚀敏感性增加，其断裂位置全部落在焊缝或h a z 处。 制作楔形张开加载( w o l ) 试样，在硫化氢介质中进行恒位移应力腐蚀试验， 分别测得母材、焊缝和热影响区的临界应力强度因子l ( i s c c 和裂纹扩展速率d a d t 。 实验结果表明，热影响区的k l s c c 最小，裂纹扩展速率最大，具有较差的抗应力 腐蚀开裂的能力。通过对x 8 0 管线钢焊接接头的金相显微组织、断口形貌观察 以及硬度测试，分析了x s 0 管线钢s s c c 性能的影响因素。并对w o l 试样进行 了有限元分析，得到裂纹尖端应力场分布和氢浓度的分布特征。应力腐蚀试验结 果与有限元数值分析结果相互验证。 建立了x 8 0 钢管道焊接移动热源的三维有限元计算模型，以瞬态温度场分 析为基础，考虑材料物理性能参数与温度非线性关系，利用s y s w e l d 程序进 行了焊接温度场和焊接应力场的数值模拟，分析了相变及焊接线能量对管道内外 表面的环向及轴向应力的影响规律。 以“合于使用”为原则，根据b s 7 9 1 0 评定标准，在测试x s 0 管线钢及焊接 接头断裂韧度的基础上，对x 8 0 管道焊接接头焊趾处的表面裂纹以及焊缝内的 深埋裂纹进行了一级、二级安全评定。考虑了应力集中和残余应力的影响，计算 了给定载荷条件时的表面容许裂纹尺寸和深埋容许裂纹尺寸。 关健词：x 8 0 管线钢；焊接接头；应力腐蚀；数值模拟：安全评定 a b s t r a c t t h es t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g ( s c c ) b e h a v i o 码o fx 8 0p i p e l i n es t e e li na n a l o g y s o i ls o l u t i o n s ( t h es o l u t i o no f0 5 m o l ln a 2 c 0 3a n dlm o l ln a h c 0 3a n dn s 4 s o l u t i o n ) w e r es t u d i e du s i n ge l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r e m e n ta n ds l o ws t r a i n r a t e t e s t i n g ( s s r t ) a n ds c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y 。t h es u s c e p t i b i l i t y t o s t r e s s c o r r o s i o nc r a c k i n g ( s c c ) o ft h ew e l d e dj o i n to fx 8 0p i p e l i n es t e e li ns o l u t i o nw a s a n a l y z e d t h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nb e h a v i o r so ft h ex 8 0s t e e la n di t sw e l d e d j o i n ti nt h ea n a l o g ys o i ls o l u t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d t h es t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g ( s c c ) b e h a v i o r so fx 8 0p i p e l i n es t e e li ns o l u t i o n o fo 5 m o l ln a 2 c 0 3a n dlm o l ln a h c 0 3a n dn s 4s o l u t i o n sw e r es t u d i e du s i n gs l o w s t r a i nr a t et e s t i n g ( s s r t ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y a tc a t h o d i cp o t e n t i a l s ， o b v i o u sq u a s i c l e a v a g ef r a c t u r ew a so b s e r v e di nt h ef r a c t u r ea r e ao fs p e c i m e n si n s o l u t i o no f0 5 m o l ln a 2 c 0 3a n dlm o l ln a h c 0 3 ，a to p e nc i r c u i tp o t e n t i a la n d a n o d i cp o t e n t i a l ，d u c t i l ef r a c t u r ew a st h em a i nf r a c t u r ep a t t e r n t h es e mc r a c k i n g m o d ew a st r a n s g r a n u l a rw i t ht h ef e a t u r eo f q u a s i - c l e a v a g ea n dh o l dt y p i c a lf e a t u r eo f s t r e s sc o r r o s i o ni nn s 4s o l u t i o n sw h e na p p l i e dn e g a t i v ep o t e n t i a l a ta n o d i cp o t e n t i a l ， f r a c t u r ea p p e a r a n c ew a st y p i c a ld u c t i l ef r a c t u r ea n do b t a i n e da b u n d a n td i m p l e s s s r t r e s u l ts h o w e dt h a tt h eg e n e r a lt e n d e n c yi nt h es t u d i e dp o t e n t i a lr a n g ew a st h a tw i t h n e g a t i v ei n c r e a s i n go fp o t e n t i a l ，f r a c t u r et i m e ，e l o n g a t i o na n dr e d u c t i o ni na r e ao f s p e c i m e n sd e c r e a s e d ，m e a nt h es u s c e p t i b i l i t y t os c ci n c r e a s e d w h e na p p l i e d p o t e n t i a l so fw e l d e dj o i n ta n db a s em e t a lh o m o l o g ya r et h es a m e ，w e l d e dj o i n ti s m o r es e n s i t i v et h a nb a s em e t a li ns c c ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt e n s i l et e s t s p e c i m e n sc r a c k e di nw e l dm e t a la n dh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) t h ec r i t i c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk l s c ca n dc r a c kp r o p a g a t i o nv e l o c i t yw e r e o b t a i n e db yt h ew e d g e o p e nl o a d i n gc o n s t a n td i s p l a c e m e n ts p e c i m e n s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) h a dt h em i n i m a lk l s c c ，l a r g e s tc r a c k p r o p a g a t i o nv e l o c i t ya n dh o l dp o o rr e s i s t a n tp r o p e r t i e so fs t r e s sc o r r o s i o nc r a c k t h e i n f l u e n t i a lf a c t o ro ft h es s c cp r o p e r t yo fx 8 0p i p e l i n es t e e lw a sa n a l y s e dt h r o u g h m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e 、f r a c t u r ea p p e a r a n c eo b s e r v a t i o na n dh a r d n e s se x a m i n a t i o n b yt h en u m e r i c a la n a l y s i so ft h ef e m ，s t r e s sf i e l da n dc o n c e n t r a t i o no fh y d r o g e n d i s t r i b u t i o np r o p e r t yf r o mt h ec r a c kt i pw e r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w m o s t l yc o n c o r d a n c ew i t ht h ef e ar e s u l t s at h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sp e r f o r m e do nt h e m a t e r i a lp h y s i c a la b s o r p t i o nv a r i a b l e sa n dt e m p e r a t u r en o n li n e a rr e l a t i o n s h i po ft h e x s 0s t e e lp i p e sw i t hs y s w l e dp r o g r a m t h r e e - d i m e n s i o n a lf e m u s i n gm o b i l eh e a t s o u r c ef o r a n a l y s i s t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef l i e da n d w e l d i n g s t r e s sf i l e di n c i r c u m f e r e n t i a lj o i n to fp i p e si sf o u n d e d i n f l u e n c el a wo ft h ep h a s et r a n s i t i o na n d a d h e r e n t w i r ee n e r g yo fa x i a la n dh o o pr e s i d u a ls t r e s s e so ni n n e ra n do u t e rs u r f a c eo f p i p e sa r ei n v e s t i g a t e d t h ep r i m a r ya n ds e c o n ds a f e t ye v a l u a t i o nw a sp r o c e e dt ot o ee x t e r n a lc r a c ka n d w e l dd e e pc r a c ko fx 8 0p i p ej o i n t sw i t ht h ep r i n c i p l eo f “f i tu t i l i z e ”，a c c o r d i n gt o b s 7 910t e s t ，b a s e do nt h ee x a m i n a t i o no fx 8 0s t e e la n db o n d i n gi o i n t sf r a c t u r e t o u g h n e s s ，a d o p t e df a de v a l u a t i o nm e t h o d c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs t r e s s c o n c e n t r a t i o na n dr e s i d u a ls t r e s s ，t h ee x t e r n a la l l o w a b l ec r a c ks i z ea n dd e e pa l l o w a b l e c r a c ku n d e rt h ec o n d i t i o no fg i v e nl o a d i n g k e y w o r d s ：x 8 0p i p e l i n es t e e l ；w e l d e dj o i n t ；s t r e s s c o r r o s i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s a f e t ye v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壬晌蕻签字日期：多品7 年么月占日学位论文作者签名：砂肭头签字日期：多7 年多月粤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基宣盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：2 叫年易月孚日 签字日期：占日 第章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着全球能源结构的优化调整，石油天然气的需求增加，极大地促进了管线 工程的发展，同时也推动了x s o 管线钢的开发步伐，2 0 0 2 年8 月，国家经贸委、 中国石油天然气集团公司、中国钢铁协会等单位组织召开了“十五”国家重大技 术装备研制和国产化会议，与会专家一致通过“大口径输气管线用x 8 0 板材国产 化及评价”课题的可行性论证，并报国家经贸委批准，正式列入“十五”国家重大 技术装备研制和国产化项目。2 0 0 5 年3 月2 6 日，宝钢应用高强度高韧性x 8 0 管 线钢制成的管径为1 0 1 6 m m ，壁厚为1 5 3 r a m 的螺旋缝埋弧焊钢管，在河北景县 成功对接，首条x 8 0 输气管线应用工程正式开工建设，标志着我国长输管线向 高强度、高压力、大口径方向发展。 随着我国天然气工业的发展，长输管道建设将在未来几年进入高速发展期， 高钢级管线钢拥有广阔的应用前景。x s o 管线钢作为我国重点发展的长输管道高 钢级管线钢，已经少量应用于我国管道工程建设中。随着“西气东输”天然气管道 的全面投产和中俄、中哈跨国油气管道建设高潮的来临，油气田逐渐向高寒地区、 海上以及高含硫等资源进展，油气管线使用的安全性成为学术界普遍关心的问 题，从而对管道材料提出了更高的要求i 。 长输管道在服役过程中，通常遇到土壤、原油或天然气等强腐蚀介质，其中 许多是在高温、高压和高流速等条件下服役，其腐蚀问题显得更为突出和严重。 长输管线穿越沙漠、沼泽和盐碱等复杂地区，管线外壁长期与土壤中的腐蚀性介 质相接触，内有强腐蚀的输送介质，腐蚀状况非常严重。我国的埋地管道投产1 2 年后即发生腐蚀穿孔的情况已屡见不鲜【2 1 。对于埋地管道最普遍发生的全面腐 蚀，一般采用防腐蚀涂料涂装以及实施阴极电流保护的方法进行保护。但管线在 长期服役过程中，防腐涂层有可能发生破损和剥落，使管线钢重新暴露于腐蚀环 境中，此时管线钢在应力的作用下会产生微裂纹，并在腐蚀作用下不断扩展，当 裂纹扩展到足够大时，就会导致管线的应力腐蚀破裂( s t r e s sc r o s s i o nc r a k i n g ， s c c ) 1 3 。应力腐蚀破裂是种没有预兆的失效形式，所造成的损失非常巨大。 随着高寒地带油气田的开发以及管道输送压力和钢材等级的提高，管道发生 脆性断裂的问题尤为突出。压力管道作为一种典型的焊接结构，由于焊接过程常 第章绪论 使焊接接头的组织性能劣化及焊接缺陷处严重的应力集中，使焊接缺陷处成为整 个焊接管道中最薄弱部位，服役过程中往往成为裂纹的源头，造成裂纹的扩展甚 至失稳断裂。 x s 0 管线钢是控轧控冷的低碳合金钢，具有高强度和良好的抗延性断裂能 力，t 是输气管道的主导钢材。针对国产x 8 0 管线钢的研究还局限在制管技术及 焊接性等方面的研刭4 卅。而关于国产x 8 0 管线钢在环境中的应力腐蚀以及低温 断裂评定的研究尚处于空白，加强对国产x 8 0 管线钢管道安全可靠方面的研究， 增加高压、高强管线钢的技术储备显得尤为重要。 1 2 管线钢的研究现状 1 2 1 管线钢的发展历史 管线运输是长距离输送石油、天然气最经济、合理的运输方式，为了提高输 送效益、降低能耗、减少投资，国际管线输送技术正朝着长距离、大口径、高压 力方向发展，高压输送要求使用强度更高、韧性更好的管线钢，高钢级管线钢可 以减少钢材消耗，降低材料费用，因此高压输送管道采用高钢级管材呈强劲的发 展趋势，工业发达国家普遍将x 8 0 管线钢列为2 l 世纪天然气输送管线的首选钢 级。据e u r o p i p e 公司介绍，钢管费用占管道建设总投资的l 3 左右，在同样的输 量下，提高钢管强度就能降低壁厚，节约成本，1 条2 5 0 k m 的输气管线，当输气 量不变时，由x 8 0 管线钢代替x 7 0 管线钢，由于壁厚减薄可节省钢材2 万t ，降 低成本7 0 a t 7 。 x 8 0 管线钢主要是通过细晶强化、析出强化、位错强化、亚晶强化以及置换 强化提高钢的强度，虽然管线钢级的发展，提高强度是主要目的，但相应地也需 要提高钢的韧性、焊接性、较低的韧脆转变温度和保证一定的耐腐蚀性等【8 】o 输送油气的大口径钢管，1 9 世纪末首先在美国发展起来，1 8 9 1 年美国建成 第一条天然气长输管线( 约2 0 0 k m ) ，1 9 2 5 年建成第一条焊接钢管天然气管线。 1 9 2 8 年美国石油学会( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t i o n ) 制定了a p is p e c5 l 焊管 标准，以后每年a p is p e c5 l 标准经过一次修订，至今己形成钢级从x 4 2 、x 6 0 、 x 6 5 、x 7 0 、x 8 0 等比较完善的焊管标准体系。 随着管道输送压力的不断提高，输送钢管也相应地迅速向高钢级发展，2 0 世纪6 0 - 7 0 年代一般采用x 5 2 、x 6 0 、x 6 5 钢级，近年来国际上长输管道普遍采 用x 7 0 管线钢，据统计其使用量占到供货总量的9 0 左右。1 9 8 5 年德国 m a n n e s m a n n 钢铁公司研制成功了x 8 0 管线钢，并铺设了3 2 公里的试验管道， 2 第章绪论 标志着高钢级管材应用的新开端，为了大幅度提高强度来降低管线钢管的运营成 本，世界上许多大型企业都在进行更高强度级别的管线钢的研制，e x x o n m o b i l 公司和新日铁已经成功地完成了x 1 2 0 的开发，大大加快了管线钢高强度化的进 程【1 4 9 1 。 国外x 8 0 管线钢的开发、生产应用已经渐趋成熟，在管线设计、炼钢轧钢、 制管成型、焊接工艺、检测评定、防腐保护、运营维护、工艺优化等方面积累了 丰富的经验。当前，x 8 0 管线钢的工业应用将逐步开始，德国、加拿大、日本、 英国等国家均具备x 8 0 管线钢管规模生产的能力，并已经运用到多条管线中。 目前全球已建成的x s 0 输气管道见表1 1 。 表1 1国外已建成的x s 0 输气管道1 7 1 2 1 】 t a b l e1 - 1x 8 0g a sp i p e l i n eo ft h ew h o l ew o r l dh a sb e e nf o u n d e d 我国管道工业的发展经历了三个高潮期。1 9 5 8 年开始建设长距离原油输送管 道，1 9 6 5 年开始建设长距离天然气输送管道，在2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代初形 成了第一个发展高潮，在此期间建成的主要管道有四川天然气管网和东北输油管 道等。2 0 世纪9 0 年代逐渐形成第二个发展高潮，在此期间建成的主要有鄯乌输气 管道、库鄯输油管道和陕京输气管道。随着我国对石油、天然气能源需求的急剧 增加，又迎来了一个前所未有的管线建设高潮。近期竣工的主要有涩宁兰输气管 道、兰成渝成品油管道和西气东输管道；正在建设的有忠武输气管道、陕京二线 输气管道、沿江原油管道( 南京至荆门、岳阳) 及环珠江三角洲输气管道等；正在 规划的有中哈管道以及中俄管道等【1 7 1 。 第一章绪论 在我国管道建设的不同阶段，管线钢的发展变化非常迅速。2 0 世纪5 0 - 7 0 年代管线钢主要采用a 3 钢和1 6 m n 钢；7 0 年代后期和8 0 年代采用从日本进口的 t s 5 2 k 钢( 相当于x 5 2 级钢) ；9 0 年代，塔里木三条油气管道、鄯乌输气管道、库 鄯输油管道和陕京输气管道采用的x 5 2 、x 6 0 、x 6 5 级热轧板卷主要由宝钢和武 钢生产供应。“八五”期间，通过冶金部门和石油部门的联合攻关，成功研制和开 发了x 5 2 - x 7 0 级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了x 7 0 级管线钢，其中螺旋缝埋弧焊管全面实现了国产化，前期的直缝埋弧焊管仍依赖 进口，后期的采用了巨龙钢管公司生产的j c o e 焊管。对于x 8 0 高钢级管材的研究 和应用，石油部门与冶金部门联合开展了1 0 余项国家基础攻关、应用基础研究和 技术开发项目，其中包括国家“9 7 3 颂目“高强度管线钢的重大工艺基础研究”， 中油集团技术开发项目 x 8 0 管线钢管的开发与应用”、“x 8 0 管线钢的焊接及高韧 性焊材选择”等等。宝钢、武钢、鞍钢等都相继成功开发了x 8 0 级热轧板卷和宽 厚钢板，宝鸡、华油、巨龙等公司相继成功开发了x 8 0 级螺旋缝埋弧焊管和直缝 埋弧焊管。 1 2 2x 8 0 管线钢的成分、组织性能 提高钢强度既简便又经济的方法是增加碳含量，但是碳含量的增加会使其他 性能如成型性、焊接性、塑韧性等性能降低。管线钢的发展是碳含量持续降低， 强度水平连续升高的发展历史，自上世纪6 0 年代开始，随着油气管道输送压力 和管径的增加，开始使用低合金高强钢( h s l a ) 并成为此时钢种的主流，这类 钢主要以热轧及正火状态供货，其主要化学成分为：c 0 2 0 ，合金元素g 5 。 随着管线钢的进一步发展，美国石油组织在a p i5 l s 标准中提出了微合金控轧钢 x 5 6 、x 6 0 、x 6 5 三种钢，这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为o 1 0 - 0 1 4 ， 在钢中加越0 2 0 n b 、v 、t i 等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得 到显著改善。1 9 7 3 年和1 9 8 5 年a p i 标准又相继增加了x 7 0 和x 8 0 管线钢，而 后又开发了x 1 0 0 管线钢，碳含量降到0 0 1 - 0 0 4 ，真正出现了现代意义上的 多元微合金控轧控冷钢。微合金化技术使钢不但获得了高强度而且保持了高水平 的综合性能。 x 8 0 管线钢采用了超低碳含量、高锰、超低硫、v - t i 复合微合金化、控 制组织的m o 的低合金化成分设计。在制造工艺上综合了超低碳、超低硫、夹杂 物形态控制的纯净钢冶炼技术和控轧控冷的热处理热轧工艺。通过成分和工艺的 最佳配合，获得具有高强度、高韧性的针状铁素体组织。 m n 能够推迟铁素体- 珠光体转变，降低b s 点，有利于形成细晶粒的针状铁 素体，同时起固溶强化作用，但锰的含量不宜超过2 o ，因锰易在钢中形成偏 4 第一章绪论 析带，造成钢的组织和硬度不均匀性。 微合金化元素n b ，v 和t j 都起到提高强度和韧性的作用，三个元素均是通 过细化晶粒和沉淀强化提高强度，但每种机理强化程度不同。n b 具有最强的细 晶强化效果，而v 具有最强的沉淀强化效果，t i 介于上述两者之间。晶粒细化 是唯一能够同时提高强度和韧性的强化机理。n b 是能够同时提高强度和韧性的 元素，n b 的晶粒细化引起的强烈效果与其在轧制时通过固溶，特别是碳氮化n b 析出延迟奥氏体再结晶有关系；n b 阻止在轧制最后阶段奥氏体的再结晶，促进 了扁平晶粒的变形，从而形成非常细的铁素体晶粒圈。 n b 的另一个重要影响是在中低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形 成，降低转变温度是由于在轧制过程中仍有一部分n b 留在固溶体中而没有发生 沉淀反应。这一效果在同时加入n b 和m o 或同时加入n b 和b 时由于协同作用 而加强，x 8 0 管线钢是一个应用实例，铁素体低珠光体组织在得到韧性要求的 同时却达不到强度级别【1 8 1 。 在厚板中加入少量的铝( o 1 5 ) ，铝使铁素体析出线明显右移，但并不明确 推移贝氏体转变，所以在较宽的冷却范围内过冷奥氏体直接发生贝氏体转变，而 没有或很少先共析铁素体析出，从而保证厚板的心部也能在较低的冷速下获得贝 氏体组织，提高钢的强度。 表l - 2 部分x 8 0 管线钢管产品的化学成分( 质量分数，) t a b l e l 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f s o m ex 8 0s t e e lt u b e s ( m a s s ) 1 0 0 1 9 i5 50 20 0 1 70 0 0 20 0 4 20 o i s0 0 2 40 0 0 1 3n s c l 20 0 61 8 50 2 50 0 1 50 0 0 20 2 00 0 5 0 0 20 2 0 - - - 0 bn s c 2 3o 51 舒o 3 8o0 1 4o 0 0 1 7o o lo0 4 40 ，1 9o 0 5o ，o 0 3o 3 00 0 0 6 0 e u r o p i p c 4 o 1 8 60 2 60 0 0 9 00 0 0 10 0 4 70 0 1 5 0 0 7 0 0 3 7一sml 5n 0 71 5 90 o 睡m0 0 0 1 60 0 10 0 4 20 0 1 70 1 80 0 6 70 0 2 5n 0 0 0 10 0 0 5 6s m 2 60 0 51 5 60 1 70 0 0 60 0 0 l0 1 70 0 300 0 60 0 40 0 30 1 3 0 2 4n 0 20 0 0 0 1n 0 0 5n k k 7o 0 91 60 0 0 20 0 00 0 50 0 0n 0 5025胜 80 0 4i7 50 2 50 1 1 50 4 5042cs0 x s 0 管线钢不但通过微合金化保证钢材的性能，而且还要通过控轧控冷工艺 获得优良的性能。控轧就是定量、预定程序地控制热轧钢的形变参数、终轧温度 以及冷却时的轧制工艺，从而获得最佳的细化晶粒和第二相均匀分布的组织状 第一章绪论 态，有效的改善钢的性能【怕。 x 8 0 管线钢的典型组织为针状铁索体或低碳贝氏体。针状铁素体钢( 一般 c 郢0 6 ) 的特点是，针状铁素体组织中含碳量低，铁素体板条相界面不存在碳 化物。同时由于转变温度低，晶内位错密度高【9 1 。这类钢具有比铁素体珠光体型 钢更好的焊接性能( p c m _ 、二氧化碳( c o ，) 等腐蚀介质；外部主要是潮湿 土壤中的碳酸根离子( c o g 一) 、碳酸氢根离子( h c o j ) 、硝酸根离子( n o i ) 、 氢氧根离子( o h 一) 等腐蚀介质。 输油气管道的服役条件多为潮湿环境，输送介质含硫化氢等酸性物质较多， 管线钢在湿硫化氢环境中的应力腐蚀断裂，一直是许多学者的研究热点，并取得 了卓有成效的工作1 2 3 - 2 4 。不同材料、热处理状态、金相组织对湿硫化氢环境中的 应力腐蚀破裂敏感性不同 2 5 - 2 8 1 。一般认为，强度级别越高，对硫化氢的应力腐 蚀越敏感。材料的硬度与硫化氢应力腐蚀的关系较大，硬度愈高，敏感性愈大。 所以n a c em r 0 1 7 5 推荐在酸性介质中，管线钢的硬度极限为h v 2 4 8 或h r c 2 2 1 2 9 o 硫化氢应力腐蚀裂纹从外观看无明显的均匀腐蚀痕迹，其形态呈稀松分布的 网状或龟裂状，常产生大量分叉，并沿大致垂直于影响其产生及扩展的应力方向 上连续扩展【3 0 1 。深入到金属内部的应力腐蚀裂纹，就如植物根须一样由表面向纵 深发展。应力腐蚀的断口是典型的脆性断口。一般情况下，低碳钢、低合金高强 度钢、黄铜、铝合金等大多属沿晶断裂，裂纹大致垂直于拉应力方向，由晶间向 纵深发展，这类沿晶断裂在电镜下观察为冰糖状花样1 3 1 - 3 2 1 。 自2 0 世纪6 0 年代中期以来，世界各地油气管道不断发生管道外部应力腐蚀 导致的管道断裂事故，其中绝大部分发生在输气管道上。 土壤介质引起的应力腐蚀可以分为高p hs c c ( i g s c c ) 和近中性p hs c c ( t g s c c ) 两大类，前者为沿晶s c c ( i g s c c ) ，后者为穿晶s c c ( t g s c c ) ， 7 第一章绪论 二者的主要特征对比见表1 3p s 。前者已有4 0 余年的研究历史，而后者是1 9 8 5 年首次在加拿大发现，研究初步认为，溶解和渗氢是近中性p hs c c 裂纹扩展的 主要原因。这种近中性环境中管线的s c c 问题除了在加拿大出现外，世界上其 他国家如澳大利亚、伊朗、伊拉克以及沙特阿拉伯等也有发生，几年来，逐渐成 为加拿大和其他国家腐蚀与防护科技工作者所关注的研究热点，目前近中性p h s c c 的研究还不成剥3 3 】。 表1 - 3 近中性p h 和高p hs c c 的条件和特征p 5 】 t a b l ei - 3c o n d i t i o na n dc h a r a c t e ro fs c ci nn e a rn e u a a lp hv a l u e sa n dh i 【g hp hv a l u e s 1 3 2 管线钢应力腐蚀破裂机型3 1 ，3 够7 , 5 9 1 1 3 2 1 硫化氢应力腐蚀开裂机理 应力腐蚀开裂是一个非常复杂的问题，裂纹只是腐蚀破坏的一种形式，许多 腐蚀学家认为，每一种“材料环境”的特定体系各有其特定的机理。最早的有 电化学腐蚀和活性通道理论开始，到膜破裂理论、腐蚀产物楔入理论、氢脆理论、 化学脆化机械破裂两阶段理论、吸附理论和环境破裂三阶段理论等。近年来， 第一章绪论 又有许多学者提出了一些新的见解，如r e b a k 的沿晶界选择性溶解理论、s w a n 的溶解促进局部塑性变形从而导致应力腐蚀开裂理论，关于硫化氢应力腐蚀破裂 机理，国内外做了大量工作，但由于影响因素太多，而且相互交错，迄今为止未 曾获得统一的认识【3 6 1 。就广义的s c c 机理而言，主要分为两大类： ( 1 ) 阳极溶解机理 阳极溶解型应力腐蚀机理认为金属或合金浸泡在腐蚀介质中，其金属表面会 形成一层钝化膜，如应力能使位错发生滑移，则滑移台阶将使表面膜局部破裂， 局部地区( 如裂尖) 露出无膜的金属，裸露的金属相对于膜表面为阳极，膜为阴极， 从而发生瞬时溶解。新鲜金属在溶液中会发生再钝化，钝化膜重新生成后，溶解 ( 裂纹扩展) 就停止，已经溶解的区域由于存在应力集中，因而使该处的再钝化膜 再一次破裂，又会发生瞬时溶解，这种膜破裂金属溶解一再钝化过程的循环重 复，就导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展旧。 阳极溶解理论都包含电化学过程，但应力腐蚀过程中的一些现象，如环境的 选择性，开裂临界电位与腐蚀电位的关系，断口形貌匹配等问题，用电化学理论 不能合理的解释。为此u h l i g 提出应力吸附开裂理论 3 8 】，他认为应力腐蚀断裂是 由于裂纹尖端某些特殊离子对金属内表面的吸附，削弱了金属原子间的键合力， 即金属表面能降低，在拉应力作用下促使金属开裂。这是纯机械开裂模型，这个 模型的最大支持是许多纯金属和合金在液态金属中的脆断。应力吸附理论可以解 释应力腐蚀的一些特征现象，但该模型不能解释吸附离子对位错的钉扎作用以及 裂纹的孕育期等问题。根据阳极溶解促进室温蠕变的实验结果，j o n e s 认为溶解 产生的双空位促进刃型位错攀移【3 9 1 ，从而松弛应变硬化。 m a g n i n 认为1 4 0 1 ，滑移使裂尖钝化膜局部破裂后，受力最大的裂尖原子将择 优溶解，形成一个台阶。这相当于使裂纹变尖，应力集中增大，从而促进位错从 裂尖发出。k a n f m a n 认为【4 ，原子沿滑移带择优溶解能引起应力集中，应力升高 能促进塑性变形并使它局限在裂尖附近；塑性应变愈大，溶解速率愈大，故局部 塑性变形促进局部溶解，从而使裂尖应力进一步升高，形变进一步局部化，进而 导致微裂纹形核。 ( 2 ) 氢致开裂的机理 氢致开裂的机理主要有氢压理论【4 2 1 、氢吸附后降低表面能的理论 4 3 】、氢降 低原子间结合力理论( 弱键理论) m 】、以及氢促进局部塑性变形的理论【4 5 1 。前 三种理论认为氢使材料脆断所需的临界应力场强度因子k i 下降，它们原则上不 讨论塑性变形在氢致开裂和滞后断裂中的作用。氢促进局部塑性变形的理论则认 为，任何断裂过程都是局部塑性变形发展到临界状态的结果，氢能促进塑性变形 过程，从而在较低的外应力下就能使局部塑性变形发展到临界值而引起氢致开 9 第一章绪论 裂。 氢压理论是由b e n n e k 等提出的，由z a p f f e l 4 6 】进一步完善。氢压理论认为当 金属或合金中的氢有较大的饱和度，它们将在各种缺陷处结合成氢分子，形成很 大内压，形成材料内部的氢鼓泡甚至微裂纹，在外应力作用下微裂纹不断扩展， 最终形成宏观裂纹。氢压理论成功地解释了电解充氢过程中产生的裂纹1 4 7 1 ，钢中 白点【4 8 】以及钢在硫化氢溶液中产生的微裂纹。 自从7 0 年代提出氢促进塑性变形导致断裂观点以来，进行了很多研究，在 各种氢致开裂的机理中，褚武扬等【4 9 】认为氢促进局部塑性变形从而促进断裂的机 理是最为主要的。氢促进位错发射和运动( 即促进局部塑性变形) ，因此在比空拉 更低的外应力下，氢促进的局部塑性变形就会发展到临界条件，使得局部地区的 应力集中等于被氢降低了原子键合力，从而导致氢致微裂纹在该处形核。原子氢 进入微裂纹就复合成h 2 产生氢压，它能使微裂纹稳定化，同时也能协肋局部应 力使之解理扩展。这个氢致开裂的新机理考虑了氢促进的局部塑性变形，氢降低 原子键合力氢压的作用。根据这个理论导出的氢致滞后断裂力学参量，从而就可 定性解释试样中可扩散氢浓度、氢陷阱、温度以及形变速度对氢致开裂敏感性的 影响，但氢致开裂机理的定量化还有很多工作要做【5 0 1 。 1 3 2 2i g s c c 破裂机理 对于i g s c c 的机理较复杂，还在进一步的研究中。p a r k i n s i s l - 5 2 t 研究结果认 为，对于沿晶应力腐蚀破裂( i g s c c ) ，晶界区与晶粒内部的结构及成份存在很 大区别。对于含碳量较低的管线钢，由于晶界碳化物的偏析，使得晶界与晶内的 成分有显著差异，晶界区原子能量较高，电位较负，在溶液中相对晶粒内部为阳 极，优先溶解，引起强烈的沿晶腐蚀，在应力的作用下，裂纹尖端金属局部塑性 变形导致其表面的保护膜破裂，导致阳极加速溶解，裂纹不断扩展。 胡钢、徐淳淳等【5 3 捌】研究了x 7 0 管线钢在n a h c 0 3 n a 2 c 0 3 溶液中应力腐蚀 敏感条件下的电极过程及钝化行为。在活化钝化过渡区，钢表面发生的反应比较 复杂，电极过程包含f e 的阳极溶解、生成钝化膜、钝化膜的化学溶解三种过程， 表面破坏处可能成为应力腐蚀裂纹源。 w a n , g s s - s 7 1 等人利用高分辨率s t e m 研究了x 5 2 和x 6 5 管线钢的晶界成份， 发现在珠光体与珠光体、珠光体与铁素体、铁素体与铁素体的晶界上没有硫和磷 元素的偏析，而在铁素体与珠光体的晶界上发现了m n 的周期性富集和贫化，并 有渗碳体是富m n 的。在s e m 的微观结构研究中，发现在铁素体与铁素体晶界 上由碳化物片层，珠光体可能是由这些碳化物片层起始的。由于c 污染，在s t e m 中，未能观察到晶界的碳含量分布【5 羽，这说明i g s c c 可能并非是晶界偏析所致。 1 3 2 3t g s c c 破裂机理 第一章绪论 近十年来，许多专家学者加强了t g s c c 的研究，对t g s c c 的产生机理进 行了研究，但未达广泛的共识，总结起来有以下几种观点【5 9 】： ( 1 ) 阳极溶解机理 w 锄9 6 0 1 认为近中性p hs c c 直接与腐蚀率有关，支持阳极溶解机理。而 p a r k i n s l 6 1 1 、b e a v e m 6 2 1 、r e b e l 6 3 1 等认为单纯的阳极溶解机理不能解释t g s c c ， 在近中性溶液中的应力腐蚀破裂并非出现在活化钝化过渡区，动电位扫描极化 曲线表现为活性溶解，t g s c c 裂纹扩展速率至少比由f a r a d a y 定律预测的高1 2 个数量级【6 4 1 ，因此t g s c c 不可能是阳极溶解机制。 ( 2 ) 氢脆机理 k u s h i d a 6 5 1 、h a r l e 【6 6 】等认为近中性p hs c c 与氢脆机理相关。r e b a l ( 、 p l u m f f e e 和q i a o 等证实了进入金属中的氢的作用。z h e n g 6 7 肄认为开裂特征与氢 脆特征一致，例如t g s c c 的断口形貌为带有微孔的准解理断裂。汪兵等1 6 8 研究 了1 6 m n 管道钢在近中性p h 值溶液中的应力腐蚀行为，并认为应力腐蚀开裂为 氢脆型应力腐蚀开裂。 ( 3 ) 阳极溶解和氢作用的混合机理 p a l ( i n s 6 9 1 、b e a v e r s l 7 0 】等通过试验验证了在近中性溶液中的应力腐蚀机理为 阳极溶解与氢的共同作用。裂纹在钢表面的蚀坑处萌生，蚀坑内有足够产生氢原 子的低p h 值，土壤介质中含有的大量c 0 2 维持着近中性水平。氢在近中性p h 土 壤中，反应后生成氢原子，进入钢材，使金属脆化，韧性降低，在阳极溶解( 降 低了钝化膜的稳定性，加快了溶解速率) 和氢脆的交互作用下，裂纹萌生和扩展。 郭浩等 7 1 - 7 2 】研究了外加电位对x 7 0 钢在近中性溶液中的应力腐蚀破裂的影响， 并认为阴极电位的应力腐蚀机理为氢脆占主导，而自腐蚀电位及阳极电位条件下 是氢促进阳极溶解。