管道的應(yīng)力腐蝕斷裂

管道的應(yīng)力腐蝕斷裂

四川省的自然?氣管線由于介質(zhì)未處理好，在被輸送的自然?氣中H2S大大超過(guò)規(guī)定的含量，曾發(fā)生多次爆破事故。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)介紹，美國(guó)1955年第一次發(fā)生由于氫脆而產(chǎn)生的氫應(yīng)力破壞，六十年月消失了其他形式的應(yīng)力腐蝕斷裂，以后隨著時(shí)間的連續(xù)，這類(lèi)破壞事故越來(lái)越多，而應(yīng)力腐蝕斷裂也越來(lái)越多地為管道工作者所關(guān)注，并成為討論的課題。應(yīng)力腐蝕斷裂簡(jiǎn)稱(chēng)為SCC，這系由英文名詞StressCorrosionCracKing而來(lái)的，其定義為：在應(yīng)力和介質(zhì)聯(lián)合作用下，裂紋的形成和擴(kuò)展的過(guò)程叫做應(yīng)力腐蝕，由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生的斷裂稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕斷裂。當(dāng)原始缺陷的長(zhǎng)度2a小時(shí)臨界裂紋長(zhǎng)度2ac時(shí)，管線是不會(huì)斷裂的，但由于疲憊或(和)環(huán)境的作用，裂紋長(zhǎng)度可以增長(zhǎng)，當(dāng)原始缺陷長(zhǎng)度漸漸增長(zhǎng)，最終達(dá)到2ac時(shí)，則管道產(chǎn)生斷裂。這里只將爭(zhēng)論后者，即在環(huán)境和應(yīng)力相互作用下引起的應(yīng)力腐蝕斷裂。一、應(yīng)力腐蝕的機(jī)理為說(shuō)明應(yīng)力腐蝕需先簡(jiǎn)潔的介紹腐蝕反應(yīng)。大家知道，鋼鐵放在潮濕的空氣中，就會(huì)生銹，銹不斷脫落，就會(huì)導(dǎo)致截面減小和重量減輕，這稱(chēng)為鋼鐵受到了腐蝕。腐蝕是一種電化學(xué)過(guò)程，它又可分為陽(yáng)極過(guò)程和陰極過(guò)程，這二者是共存的。金屬原子是由帶正電的金屬離子，對(duì)鋼來(lái)說(shuō)，就是二價(jià)的鐵離子F2+和四周帶負(fù)電的電子云(用e-來(lái)表示）構(gòu)成的，如下所示：

Fe→Fe2++2e-上式是一個(gè)可逆反應(yīng)。當(dāng)鐵遇到水，鐵離子Fe2+和水化合的傾向比Fe2+與e-結(jié)合成金屬的傾向還要強(qiáng)，因此金屬鐵遇到水后就會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

<imgborder=“0”src=“/UploadFiles/2015000/20153/Tech/201503121009092906.jpg”width=“259”/上式放出電子e-，故稱(chēng)為陽(yáng)極反應(yīng)。陽(yáng)極反應(yīng)所放出的電子必需通過(guò)陰極過(guò)程(即汲取電子的過(guò)程)被取走，式的反應(yīng)才能連續(xù)存在，否則該式將是可逆的。一種常見(jiàn)汲取電子的陰極過(guò)程是吸氧過(guò)程，見(jiàn)下式：

O2+2H2O+4e-→4OH-氫氧根OH-和鐵離子Fe2+結(jié)合，就會(huì)產(chǎn)生鐵銹，即Fe2O3

2Fe2++60H-→Fe2O3·3H2O綜合陽(yáng)極過(guò)程和陰極過(guò)程，即聯(lián)合上兩式，可寫(xiě)出下式：

4Fe+nH2O+3O2→2Fe2O3·nH2O由上式可以看出，鋼管生銹的條件為第一要接觸水(或潮濕的空氣)，其次要接觸空氣，以供應(yīng)O2前者是陽(yáng)極過(guò)程，后者是陰極過(guò)程。試驗(yàn)表明，和腐蝕介質(zhì)相接觸的陽(yáng)極金屬介面上會(huì)形成一層致密的復(fù)層，即純化膜，它能阻礙陽(yáng)極金屬進(jìn)一步溶解。但金屬構(gòu)件，如鋼管受到肯定大小的拉伸應(yīng)力作用時(shí)，由于應(yīng)力集中，在裂紋尖端四周存在很高的拉伸應(yīng)力場(chǎng)，它能阻礙裂紋尖端表面形成純化膜，從而把新奇的金屬暴露在腐蝕介質(zhì)面前，并造成裂紋的擴(kuò)展，這就是應(yīng)力腐蝕。假如作用在構(gòu)件上的是壓應(yīng)力或是拉應(yīng)力，但數(shù)值很小時(shí)，這就無(wú)法使裂紋尖端的純化膜膜裂開(kāi)，因此裂紋也就不會(huì)擴(kuò)展，故應(yīng)力腐蝕除腐蝕所需要的條件之外，還得存在肯定大小的拉伸應(yīng)力。正由于陽(yáng)極溶解過(guò)程中除裂紋尖端表面外，其余部分全被純化掩蓋，故應(yīng)力腐蝕時(shí)，僅是裂紋尖端向前擴(kuò)展。應(yīng)力腐蝕中一個(gè)重要的分枝，即氫應(yīng)力腐蝕，簡(jiǎn)寫(xiě)為HSC，系由英文HydrogenStressCracKing而來(lái)。汲取電子的陰極過(guò)程除了吸氧反應(yīng)外，還有放氫過(guò)程，如：

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

在陰極形成的氫原子[H]有兩條去路，一是原子氫結(jié)合成分子氫，并放出來(lái)：

[H]+[H]→H2↑另一條去路是氫原子通過(guò)集中進(jìn)入金屬內(nèi)部，進(jìn)入金屬內(nèi)部的[H]使金屬原子的結(jié)合力下降，基體脆化，這種以陰極放氫導(dǎo)致的破壞稱(chēng)為氫脆。氫的來(lái)源除上述的陰極放氫反應(yīng)外，對(duì)于管道來(lái)說(shuō)，主要來(lái)自輸送介質(zhì)，如H2S氣體。近若干年來(lái)的討論表明，對(duì)管道的陰極愛(ài)護(hù)也會(huì)在金屬的外表面產(chǎn)生[H]。氫應(yīng)力腐蝕象其他應(yīng)力腐蝕一樣，除有腐蝕性介質(zhì)外，還有另一重要條件，即必需受到肯定大小的拉應(yīng)力。二、KIscc及da／dtKIscc為應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子。由本書(shū)的第三章可知，當(dāng)原始裂紋長(zhǎng)度為2a，由于內(nèi)壓而引起的應(yīng)力為σ時(shí)，在管線中裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：<imgborder=“0”src=“/UploadFiles/2015000/20153/Tech/201503121009096077.jpg”width=“153”/當(dāng)KI＜Kc，不會(huì)起裂當(dāng)KI≥Kc，起裂假如原始缺陷長(zhǎng)度為a0，應(yīng)力為σ1，求出的應(yīng)力強(qiáng)度因子為[KI]1，而[KI]1＜Kc，故不會(huì)產(chǎn)生斷裂；若管線在腐觸環(huán)境中工作，由于應(yīng)力腐蝕作用，a值漸漸增加，隨之(KI)1，也漸漸增長(zhǎng)，最終當(dāng)應(yīng)