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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


  (三)应力状态对σth的影响
  应力的波动对σth有很大影响,见图2—5—14。图2—5—14为X52管材,在Ca2CO3浓度为4.8%,CaHCO3浓度为7.6%的水溶液中的情况,在静荷载下,σth≈1.25(SMYS),但应力波动时,σth有所降低,波动幅度为±1.5%,由此看出,波动的频率越低,σth降低值也越大。如果波动频率为每三天一个循环,应力变化幅度为±1.5%~±5%,这时σth值只有静荷载时%值的60%。
 


图2—5—13电化学电位对σth的影响
 
图2—5—14应力波动对σth的影响

  (四)人工时效对σth的影响
  钢材使之产生永久变形以后,再加热至某一温度,并维持一定时间的这一过程称为人工时效。钢管在制造过程中先压成U形,再进一步压成O形,焊接后,再经过涨管整形,在整个制造过程中钢材经历了永久变形。对于螺旋钢管,在制造过程和滚卷过程中,亦产生永久变形。
  钢管在加设外涂层或(和)操作过程中,有可能需要加热,这样就形成了人工时效。
  见图2—5—12,该图为X52钢管,在14℃下维持一小时,形成了人工时效,实践为经历了人工时效的情况,虚线为未经人工时效的情况(虽有永久变形,但未加热),由图看出,在2%永久变形时,σth值最低。
  除以上因素外,还有一些其他因素也影响σth值,如钢材在热轧过程中,表面脱炭可使σth有所下降,管材表面径喷丸处理后,又使σth有所上升。总之,影响σth的因素是很多的,为了准确事先估计σth值也是十分困难的。
 


图2—5—15时效的影响


  三、氢应力腐蚀(氢脆)

  1955年就曾经发生过由于氢应力腐蚀(简称HSC)而产生管道断裂的事故,此后曾经进行过大量的研究工作,但至今仍有许多理论问题未曾搞清楚,而且研究工作者在这一领域内的许多认识还是互相矛盾的。但是,以下几点是大家共同肯定的:
  (1)钢材的强度极限高于某一数值时,才可能产生HSC现象,通常这一数值被认为是7000~7700kg/cm2(100~110×103lb/in2);
  (2)钢材必须承受拉应力,且该拉应力必须高于某一确定的临界值时(该临界值与钢材的强度等级有关)才可能产生HSC;
  (3)原子氢必须溶解于钢材中,且必须达到一定的浓度时,才能产生HSC。
  换句话说,只有同时满足以上三个条件,才有可能产生HSC。
  有时人们常把HSC与其他的SCC现象相同混淆。HSC与其它SCC相比,有以下特点:
  (1)由HSC产生的破裂面上无沉积物,一般呈白色,而其它SCC的破裂面上有明显的黑色沉积物,其成分常为Fe3O4和PeCO3
  (2)从外表看,HSC裂纹扩展比较平滑,而其它SCC裂纹扩展呈锯齿形;
  (3)HSC裂纹一般无分枝,而其它SCC为多分枝的;
  (4)HSC裂源处的金属金相组织为马氏体,而其它SCC裂源处的金相组织多为铁素体和珠光体;
  (5)HSC所产生的断裂一般为脆性断裂,且多为穿晶破坏,其它SCC断裂则不一定。
  (一)产生HSC所需要的最低拉应力
  见图2—5—16,图的纵坐标为作用的应力,横坐标为破坏所需的时间。由图看出,作用的应力越小,则破坏所需的时间越长,当应力降低至某一确定数值时,破坏时间可无限延长,即破坏不可能发生,这一应力值称为HSC的应力的临界值或门槛值。当输送介质中含H原子的浓度甚高,并无法降低时,则通常须把操作应力降低至门槛值以下。
 

图2—5—16 HSC破坏时向与作用应力的关系

  HSC的应力门槛值与材料的强度极限有明显的关系,材料的强度极限越高,HSC的应力门槛值越低,请参见图2—5—17。
 

 

图2—5—17 HSC应力门槛值与材料强度极限的关系

  (二)硬点(hard spot)造成的破坏
  硬点是在钢板滚轧过程中形成的,调查表明硬点处的强度极限可高达12000kg/cm2如前所述HSC的门槛值与材料的强度极限有关,强度极限越高,门槛值越低,故硬点常常成为HSC的裂源,为了消除硬点,有些管材轧制后,要进行回火处理。
  (三)氢原子的来源
  对于管道来说,氢原子主要有两个来源:
  (1)在输送介质中含有H2S的成分;
  (2)近年来的调查表明,阴极保护可能在金属的外表面产生氢原子。
  所以天然气进入管线以前必须进行处理,使之达到钢管允许的范围之内。国外有些输气公司对进入输气干线的天然气进行24小时的监控,当有害物质超限时发出警告,必要时关断气源。

  四、温度对SCC的影响

  大量的研究表明,温度可使裂纹的增长速率da/dt增加,见图2—5—18。由图看出,随着温度的增加,da/dt迅速增加。
  R.R.Fessler还给出了以下公式:
 

G=A exp(-Q/RT′)

式中:C——裂纹的增长率;
   A——与环境条件及钢材有关的常数,但与温度无关;

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