管道的应力腐蚀断裂

管道的应力腐蚀断裂

四川省的自然 气管线由于介质未处理好，在被输送的自然 气中H2S大大超过规定的含量，曾发生多次爆破事故。据国外文献介绍，美国1955年第一次发生由于氢脆而产生的氢应力破坏，六十年月消失了其他形式的应力腐蚀断裂，以后随着时间的连续，这类破坏事故越来越多，而应力腐蚀断裂也越来越多地为管道工作者所关注，并成为讨论的课题。应力腐蚀断裂简称为SCC，这系由英文名词StressCorrosionCracKing而来的，其定义为：在应力和介质联合作用下，裂纹的形成和扩展的过程叫做应力腐蚀，由于应力腐蚀而产生的断裂称为应力腐蚀断裂。当原始缺陷的长度2a小时临界裂纹长度2ac时，管线是不会断裂的，但由于疲惫或(和)环境的作用，裂纹长度可以增长，当原始缺陷长度渐渐增长，最终达到2ac时，则管道产生断裂。这里只将争论后者，即在环境和应力相互作用下引起的应力腐蚀断裂。一、应力腐蚀的机理为说明应力腐蚀需先简洁的介绍腐蚀反应。大家知道，钢铁放在潮湿的空气中，就会生锈，锈不断脱落，就会导致截面减小和重量减轻，这称为钢铁受到了腐蚀。腐蚀是一种电化学过程，它又可分为阳极过程和阴极过程，这二者是共存的。金属原子是由带正电的金属离子，对钢来说，就是二价的铁离子F2+和四周带负电的电子云(用e-来表示）构成的，如下所示：

Fe→Fe2++2e-上式是一个可逆反应。当铁遇到水，铁离子Fe2+和水化合的倾向比Fe2+与e-结合成金属的倾向还要强，因此金属铁遇到水后就会发生如下反应：

<imgborder=“0”src=“/UploadFiles/2015000/20153/Tech/201503121009092906.jpg”width=“259”/上式放出电子e-，故称为阳极反应。阳极反应所放出的电子必需通过阴极过程(即汲取电子的过程)被取走，式的反应才能连续存在，否则该式将是可逆的。一种常见汲取电子的阴极过程是吸氧过程，见下式：

O2+2H2O+4e-→4OH-氢氧根OH-和铁离子Fe2+结合，就会产生铁锈，即Fe2O3

2Fe2++60H-→Fe2O3·3H2O综合阳极过程和阴极过程，即联合上两式，可写出下式：

4Fe+nH2O+3O2→2Fe2O3·nH2O由上式可以看出，钢管生锈的条件为第一要接触水(或潮湿的空气)，其次要接触空气，以供应O2前者是阳极过程，后者是阴极过程。试验表明，和腐蚀介质相接触的阳极金属介面上会形成一层致密的复层，即纯化膜，它能阻碍阳极金属进一步溶解。但金属构件，如钢管受到肯定大小的拉伸应力作用时，由于应力集中，在裂纹尖端四周存在很高的拉伸应力场，它能阻碍裂纹尖端表面形成纯化膜，从而把新奇的金属暴露在腐蚀介质面前，并造成裂纹的扩展，这就是应力腐蚀。假如作用在构件上的是压应力或是拉应力，但数值很小时，这就无法使裂纹尖端的纯化膜膜裂开，因此裂纹也就不会扩展，故应力腐蚀除腐蚀所需要的条件之外，还得存在肯定大小的拉伸应力。正由于阳极溶解过程中除裂纹尖端表面外，其余部分全被纯化掩盖，故应力腐蚀时，仅是裂纹尖端向前扩展。应力腐蚀中一个重要的分枝，即氢应力腐蚀，简写为HSC，系由英文HydrogenStressCracKing而来。汲取电子的阴极过程除了吸氧反应外，还有放氢过程，如：

<imgborder=“0”src=“/UploadFiles/2015000/20153/Tech/201503121009096499.jpg”width=“153”/

在阴极形成的氢原子[H]有两条去路，一是原子氢结合成分子氢，并放出来：

[H]+[H]→H2↑另一条去路是氢原子通过集中进入金属内部，进入金属内部的[H]使金属原子的结合力下降，基体脆化，这种以阴极放氢导致的破坏称为氢脆。氢的来源除上述的阴极放氢反应外，对于管道来说，主要来自输送介质，如H2S气体。近若干年来的讨论表明，对管道的阴极爱护也会在金属的外表面产生[H]。氢应力腐蚀象其他应力腐蚀一样，除有腐蚀性介质外，还有另一重要条件，即必需受到肯定大小的拉应力。二、KIscc及da／dtKIscc为应力腐蚀临界强度因子。由本书的第三章可知，当原始裂纹长度为2a，由于内压而引起的应力为σ时，在管线中裂纹尖端的应力强度因子为：<imgborder=“0”src=“/UploadFiles/2015000/20153/Tech/201503121009096077.jpg”width=“153”/当KI＜Kc，不会起裂当KI≥Kc，起裂假如原始缺陷长度为a0，应力为σ1，求出的应力强度因子为[KI]1，而[KI]1＜Kc，故不会产生断裂；若管线在腐触环境中工作，由于应力腐蚀作用，a值渐渐增加，随之(KI)1，也渐渐增长，最终当应