高載小幅波動(dòng)對(duì)X80管線鋼近中性pH土壤應(yīng)力腐蝕開裂的影響研究

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710077； 2.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

土壤應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking，SCC)導(dǎo)致的油氣管道斷裂失效事故在北美曾屢有發(fā)生，并造成巨大損失[1]。20世紀(jì)60年代，美國南部的天然氣管道上發(fā)生了第1起應(yīng)力SCC事故，隨后又發(fā)生了上百起此類事故[2-3]。20世紀(jì)80年代，加拿大境內(nèi)管道上發(fā)生了22起SCC事故(其中有12起SCC事故造成管道破裂)，其特征與美國發(fā)生的SCC有很大的差異[4]。這些差異將管道SCC分成了兩類，美國發(fā)生的這類SCC被稱為高pH值SCC，而加拿大發(fā)生的這類SCC被稱作近中性pH值SCC。

高pH值SCC是一種沿晶型斷裂，發(fā)生在濃度較高的碳酸鹽/碳酸氫鹽溶液中，pH值范圍為8.0～12.5，其陽極溶解機(jī)理也被廣泛接受[5]。近中性pH值發(fā)生在濃度較低的碳酸氫根溶液中，pH值范圍為5.5～8.5。自從加拿大在1985年首次發(fā)現(xiàn)管道近中性pH值SCC后，國際上開展了大量的研究工作[6-8]。研究認(rèn)為，SCC是一種穿晶型斷裂，其斷裂形貌呈現(xiàn)準(zhǔn)解理微觀特征。以往的研究主要是針對(duì)中低鋼級(jí)的管線鋼，如X52，X60及X70[9-11]，對(duì)X80及以上鋼級(jí)管線鋼的近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂研究比較少，主要是國際上X80管線鋼應(yīng)用比較少，在西氣東輸二線之前，全世界X80鋼管應(yīng)用總里程也只有2 000余公里。近年來，對(duì)X80及以上鋼級(jí)的管線鋼近中性pH值SCC開展了一些研究工作[12-15]，但對(duì)其機(jī)理尚未形成一致和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。西氣東輸二線和三線主干線全部采用了X80管線鋼管，理論上講，鋼級(jí)提高，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性會(huì)增加；另外，調(diào)查西二線土壤環(huán)境發(fā)現(xiàn)，沿線為近中性土壤環(huán)境的管線長(zhǎng)度達(dá)到1 800 余公里，占主干線長(zhǎng)度的37%。研究X80管線鋼的土壤應(yīng)力腐蝕開裂規(guī)律，對(duì)于西氣東輸二線、三線以及未來其他X80管線的失效控制及完整性管理都具有重要意義。

筆者所在課題組開展了高強(qiáng)度管道近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂行為、影響因素及其影響規(guī)律研究。研究發(fā)現(xiàn)，管線鋼鋼級(jí)和陰極保護(hù)電位對(duì)土壤應(yīng)力腐蝕開裂有顯著影響[16-18]，鋼級(jí)提高，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增加，必須重視X80級(jí)以上鋼級(jí)的管線鋼的近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂研究。恒載荷試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在恒載荷作用下，X80管線鋼對(duì)近中性pH溶液應(yīng)力腐蝕開裂不敏感，測(cè)不出發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的門檻應(yīng)力σscc，這與美國OPS(管道安全辦公室)的研究結(jié)論一致。加拿大能源局曾對(duì)實(shí)際管道的土壤應(yīng)力腐蝕開裂進(jìn)行調(diào)查研究，也未找出發(fā)生SCC的門檻應(yīng)力σscc，認(rèn)為σscc可能與應(yīng)力波動(dòng)有關(guān)。本文在模擬近中性土壤環(huán)境的NS4溶液中，試驗(yàn)研究高載小幅波動(dòng)對(duì)X80鋼管焊縫應(yīng)力腐蝕開裂的影響，以期為控制高鋼級(jí)管道近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自API X80管線鋼直縫埋弧焊管(LSAW)，鋼管外徑均為1 219 mm，壁厚均為22.0 mm，其化學(xué)成分見表1。采用圓棒試樣測(cè)得X80焊管母材屈服強(qiáng)度Rt0.5=669 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=731 MPa，延伸率為42%。

表1 試驗(yàn)用X80焊管化學(xué)成分 %

試驗(yàn)溶液采用模擬土壤介質(zhì)的NS4溶液(見表2)。試驗(yàn)溶液用分析純?cè)噭┖腿ルx子水配置。試驗(yàn)過程中，向試驗(yàn)溶液通入5%CO2+95%N2混合氣體除氧，使溶液的pH值處于近中性。試驗(yàn)溫度為室溫。

表2 試驗(yàn)溶液組分含量 mg/L

1.2 試驗(yàn)方法

試樣為從X80直縫埋弧焊管上截取的單邊裂紋板狀試樣，試樣的標(biāo)距段尺寸為40 mm×8 mm×2mm，如圖1所示。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)尺寸示意

焊縫位于試樣標(biāo)距中心，試樣寬度方向平行于鋼管焊縫。沿熔合線部位切割切口，并預(yù)制疲勞裂紋，保證裂紋沿熔合線擴(kuò)展。切口深度為2 mm，預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度為0.6～1 mm。

試驗(yàn)前，采用暗場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)預(yù)制裂紋的長(zhǎng)度進(jìn)行顯微觀察。將預(yù)制疲勞裂紋的試樣在溶液盒中密封，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行高載小幅載荷條件下的拉伸試驗(yàn)，每48 h更換一次溶液。按試樣有效韌帶截面面積上的應(yīng)力值100%Rt0.5和85%Rt0.5確定試驗(yàn)載荷，進(jìn)行兩種應(yīng)力水平下的高載小幅應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)，加載頻率f=0.02 Hz正弦波，應(yīng)力比R分別為0.85，0.75。試驗(yàn)開始后，每隔一定的時(shí)間，采用讀數(shù)光學(xué)顯微鏡對(duì)裂紋的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，得到不同循環(huán)周次下的裂紋長(zhǎng)度。用相鄰兩次測(cè)量的裂紋長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次，計(jì)算獲得不同循環(huán)周次下的裂紋擴(kuò)展速率，方法如下：假設(shè)第j次測(cè)量的裂紋長(zhǎng)度為aj，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次為Nj；第j-1次測(cè)量的裂紋長(zhǎng)度為aj-1，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次為Nj-1，則循環(huán)周次Nj下的裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)j=(aj-aj-1)/(Nj-Nj-1)。

高載小幅波動(dòng)試驗(yàn)采用英國Instron 8810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，頻率范圍0.001～20 Hz。試樣斷口形貌采用TESCAN-VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力水平和應(yīng)力比R對(duì)X80管線鋼管焊縫材料應(yīng)力腐蝕開裂速率的影響規(guī)律

圖2示出試驗(yàn)獲得的不同應(yīng)力比和不同應(yīng)力水平下的裂紋長(zhǎng)度隨循環(huán)周次N的變化曲線。

圖2 裂紋長(zhǎng)度a隨循環(huán)周次N變化曲線

從圖2可以看出，在相同時(shí)間內(nèi)(N相同)，在σmax=85%Rt0.5和R=0.85的試驗(yàn)條件下的裂紋長(zhǎng)度最小，在σmax=100%Rt0.5和R=0.75的試驗(yàn)條件下的裂紋長(zhǎng)度最大；應(yīng)力比R和循環(huán)周次N相同條件下，提高應(yīng)力水平，裂紋長(zhǎng)度增加；應(yīng)力水平和循環(huán)周次N相同條件下，減小應(yīng)力比R，裂紋長(zhǎng)度顯著增加。

圖3示出試驗(yàn)獲得的X80鋼管焊縫在不同應(yīng)力比(R=0.8，0.75)和不同應(yīng)力水平(100%Rt0.5，85%Rt0.5)下裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨循環(huán)周次N的變化曲線。在R=0.85的條件下，比較100%Rt0.5和85%Rt0.5兩個(gè)應(yīng)力水平下的裂紋擴(kuò)展速率da/dN，可見，在高應(yīng)力比下，提高應(yīng)力水平，裂紋擴(kuò)展速率略有增加，但并不顯著；在應(yīng)力水平固定(100%Rt0.5或85%Rt0.5)條件下，應(yīng)力比R從0.85降低到0.75，裂紋擴(kuò)展曲線大幅度上移，裂紋擴(kuò)展速率顯著提高。另外，從圖中R=0.75條件下兩個(gè)應(yīng)力水平的裂紋擴(kuò)展速率曲線可以看出，裂紋起始擴(kuò)展速率較快，而且隨著時(shí)間延長(zhǎng)和循環(huán)周次N增加，裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)一步提高，最后瞬間發(fā)生斷裂。但是，隨著載荷降低和應(yīng)力比增加，裂紋起始擴(kuò)展速率迅速降低，達(dá)到瞬間斷裂的時(shí)間會(huì)大幅度延長(zhǎng)。

圖3 裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨循環(huán)周次N變化曲線

2.2 裂紋形貌和斷口微觀分析

裂紋擴(kuò)展形貌和擴(kuò)展長(zhǎng)度采用暗場(chǎng)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。圖4示出在σmax=100%Rt0.5和R=0.85試驗(yàn)條件下，X80鋼管焊縫試樣在試驗(yàn)前后的裂紋形貌。圖4(a)為試驗(yàn)前疲勞預(yù)制裂紋形貌，長(zhǎng)度為1 mm；圖4(b)為經(jīng)過336 h，22 450次循環(huán)后的裂紋擴(kuò)展形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度約0.5 mm，平均裂紋擴(kuò)展速率為2.23×10-5mm/N。圖5示出了σmax=85%Rt0.5和R=0.85試驗(yàn)條件下，X80鋼管焊縫試樣在試驗(yàn)前后的裂紋形貌。圖5(a)為試驗(yàn)前疲勞預(yù)制裂紋形貌，長(zhǎng)度為0.8 mm;圖5(b)為經(jīng)過360 h，24 056次循環(huán)后的裂紋擴(kuò)展形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度約0.2 mm，平均裂紋擴(kuò)展速率為8.3×10-6mm/N。

(a)試驗(yàn)前疲勞預(yù)制裂紋形貌

(b)經(jīng)336 h，22 450次循環(huán)后的裂紋擴(kuò)展形貌

圖4 在σmax=100%Rt0.5和R=0.85試驗(yàn)條件下試驗(yàn)前后宏觀裂紋形貌 50×

(a)試驗(yàn)前疲勞預(yù)制裂紋形貌 (b)經(jīng)360 h，24 056次循環(huán)后的裂紋擴(kuò)展形貌

圖5 在σmax=85%Rt0.5和R=0.85試驗(yàn)條件下試驗(yàn)前后宏觀裂紋形貌 100×

觀察X80鋼管焊縫試樣在高載小幅波動(dòng)應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)后的斷口及斷口側(cè)面，發(fā)現(xiàn)比較嚴(yán)重的腐蝕。以裂紋擴(kuò)展速率最快、斷裂前用時(shí)最短，σmax=100%Rt0.5和R=0.75試樣為例(見圖6)，斷口形貌中存在大量的腐蝕產(chǎn)物，斷口存在被腐蝕的痕跡，通過清洗除掉表面的腐蝕產(chǎn)物后，用掃描電鏡觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)存在解理擴(kuò)展的脆性斷口特征，如圖7(a)所示。隨著高載小幅波動(dòng)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展速率不斷提高，斷口形貌觀察到階梯狀的擴(kuò)展特征，說明在這個(gè)過程中，裂紋擴(kuò)展速率較大，同時(shí)，較大塑性變形促進(jìn)電化學(xué)腐蝕，如圖7(b)所示。高載小幅波動(dòng)條件下的近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂裂紋擴(kuò)展是復(fù)雜的力學(xué)和化學(xué)耦合作用機(jī)制，研究認(rèn)為解理和準(zhǔn)解理脆性特征與H原子導(dǎo)致的氫脆有關(guān)[4，19]，局部塑性斷口微觀特征與裂紋擴(kuò)展過程中發(fā)生較大的塑性變形有關(guān)，尤其是在斷裂前裂紋快速擴(kuò)展階段。關(guān)于高載小幅波動(dòng)條件下的近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂裂紋擴(kuò)展機(jī)制，尚有待進(jìn)一步深入研究。

圖6 在σmax=100%Rt0.5和R=0.75試驗(yàn)條件下試樣斷裂后宏觀形貌

以上試驗(yàn)研究結(jié)果表明，高載小幅波動(dòng)對(duì)X80管線鋼焊縫在近中性土壤中的應(yīng)力腐蝕開裂速率有顯著影響。應(yīng)力比R降低，載荷波動(dòng)幅度提高會(huì)顯著增加應(yīng)力腐蝕開裂速率，載荷波動(dòng)對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響程度顯著高于應(yīng)力水平的影響。實(shí)際管道工程中，一方面要盡可能減少制管缺陷，避免應(yīng)力集中；另一方面更要控制壓力波動(dòng)，以降低管道發(fā)生近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行管道近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂敏感性調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，除了土壤環(huán)境、防腐措施有效性等因素外，壓力波動(dòng)情況要作為重要因素考慮。

(a)

(b)

3 結(jié)論

(1)高載小幅波動(dòng)對(duì)X80管線鋼焊縫在近中性土壤中的應(yīng)力腐蝕開裂速率有顯著影響。應(yīng)力比R降低，載荷波動(dòng)幅度提高會(huì)顯著增加應(yīng)力腐蝕開裂速率。

(2)實(shí)際管道工程中，應(yīng)盡可能控制壓力波動(dòng)，以降低管道發(fā)生近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)西氣東輸二線等X80管道沿線存在近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境。在進(jìn)行管道近中性土壤應(yīng)力腐蝕開裂敏感性調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，除了關(guān)注土壤腐蝕環(huán)境、防腐措施有效性等因素外，壓力波動(dòng)情況也應(yīng)作為重要考慮因素。