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管道的应力腐蚀断裂

  
评论: 更新日期:2015年03月12日

  四川省的天然气管线由于介质未处理好,在被输送的天然气中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,六十年代出现了其他形式的应力腐蚀断裂,以后随着时间的延续,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,并成为研究的课题。
  应力腐蚀断裂简称为SCC,这系由英文名词Stress Corrosion CracKing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,但由于疲劳或(和)环境的作用,裂纹长度可以增长,当原始缺陷长度逐渐增长,最后达到2ac时,则管道产生断裂。这里只将讨论后者,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单的介绍腐蚀反应。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+和周围带负电的电子云(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:
 



  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须通过阴极过程(即吸收电子的过程)被取走,式的反应才能继续存在,否则该式将是可逆的。
  一种常见吸收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),第二要接触空气,以提供O2前者是阳极过程,后者是阴极过程。
  实验表明,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,如钢管受到一定大小的拉伸应力作用时,由于应力集中,在裂纹尖端附近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,从而把新鲜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。
  如果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破裂,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,还得存在一定大小的拉伸应力。
  正由于阳极溶解过程中除裂纹尖端表面外,其余部分全被纯化覆盖,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Hydrogen Stress CracKing而来。
  吸收电子的阴极过程除了吸氧反应外,还有放氢过程,如:
 



 

  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扩散进入金属内部,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。
  近若干年来的研究表明,对管道的阴极保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,即必须受到一定大小的拉应力。

  二、KIscc及da/dt

  KIscc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:
  





  当KI<Kc,不会起裂
  当KI≥Kc,起裂
  如果原始缺陷长度为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值逐渐增加, 随之(KI)1,也逐渐增长,最后当应力强度应子达到Kc时,而产生破裂,请参见图2-5-10。K1B1曲线(用虚线绘出)为随着时间的流逝,a值不断扩大,随之[KI]1也不断扩大的曲线,由a0增长至ac或由[KI]1,增长至Kc所需的时间为t1。

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