高载小幅波动对X80管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂的影响研究

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安 710077； 2.北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191)

0 引言

土壤应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking，SCC)导致的油气管道断裂失效事故在北美曾屡有发生，并造成巨大损失[1]。20世纪60年代，美国南部的天然气管道上发生了第1起应力SCC事故，随后又发生了上百起此类事故[2-3]。20世纪80年代，加拿大境内管道上发生了22起SCC事故(其中有12起SCC事故造成管道破裂)，其特征与美国发生的SCC有很大的差异[4]。这些差异将管道SCC分成了两类，美国发生的这类SCC被称为高pH值SCC，而加拿大发生的这类SCC被称作近中性pH值SCC。

高pH值SCC是一种沿晶型断裂，发生在浓度较高的碳酸盐/碳酸氢盐溶液中，pH值范围为8.0～12.5，其阳极溶解机理也被广泛接受[5]。近中性pH值发生在浓度较低的碳酸氢根溶液中，pH值范围为5.5～8.5。自从加拿大在1985年首次发现管道近中性pH值SCC后，国际上开展了大量的研究工作[6-8]。研究认为，SCC是一种穿晶型断裂，其断裂形貌呈现准解理微观特征。以往的研究主要是针对中低钢级的管线钢，如X52，X60及X70[9-11]，对X80及以上钢级管线钢的近中性土壤应力腐蚀开裂研究比较少，主要是国际上X80管线钢应用比较少，在西气东输二线之前，全世界X80钢管应用总里程也只有2 000余公里。近年来，对X80及以上钢级的管线钢近中性pH值SCC开展了一些研究工作[12-15]，但对其机理尚未形成一致和系统的认识。西气东输二线和三线主干线全部采用了X80管线钢管，理论上讲，钢级提高，应力腐蚀开裂敏感性会增加；另外，调查西二线土壤环境发现，沿线为近中性土壤环境的管线长度达到1 800 余公里，占主干线长度的37%。研究X80管线钢的土壤应力腐蚀开裂规律，对于西气东输二线、三线以及未来其他X80管线的失效控制及完整性管理都具有重要意义。

笔者所在课题组开展了高强度管道近中性土壤应力腐蚀开裂行为、影响因素及其影响规律研究。研究发现，管线钢钢级和阴极保护电位对土壤应力腐蚀开裂有显著影响[16-18]，钢级提高，应力腐蚀开裂敏感性增加，必须重视X80级以上钢级的管线钢的近中性土壤应力腐蚀开裂研究。恒载荷试验研究发现，在恒载荷作用下，X80管线钢对近中性pH溶液应力腐蚀开裂不敏感，测不出发生应力腐蚀开裂的门槛应力σscc，这与美国OPS(管道安全办公室)的研究结论一致。加拿大能源局曾对实际管道的土壤应力腐蚀开裂进行调查研究，也未找出发生SCC的门槛应力σscc，认为σscc可能与应力波动有关。本文在模拟近中性土壤环境的NS4溶液中，试验研究高载小幅波动对X80钢管焊缝应力腐蚀开裂的影响，以期为控制高钢级管道近中性土壤应力腐蚀开裂提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料取自API X80管线钢直缝埋弧焊管(LSAW)，钢管外径均为1 219 mm，壁厚均为22.0 mm，其化学成分见表1。采用圆棒试样测得X80焊管母材屈服强度Rt0.5=669 MPa，抗拉强度Rm=731 MPa，延伸率为42%。

表1 试验用X80焊管化学成分 %

试验溶液采用模拟土壤介质的NS4溶液(见表2)。试验溶液用分析纯试剂和去离子水配置。试验过程中，向试验溶液通入5%CO2+95%N2混合气体除氧，使溶液的pH值处于近中性。试验温度为室温。

表2 试验溶液组分含量 mg/L

1.2 试验方法

试样为从X80直缝埋弧焊管上截取的单边裂纹板状试样，试样的标距段尺寸为40 mm×8 mm×2mm，如图1所示。

图1 试样结构尺寸示意

焊缝位于试样标距中心，试样宽度方向平行于钢管焊缝。沿熔合线部位切割切口，并预制疲劳裂纹，保证裂纹沿熔合线扩展。切口深度为2 mm，预制疲劳裂纹长度为0.6～1 mm。

试验前，采用暗场光学显微镜对预制裂纹的长度进行显微观察。将预制疲劳裂纹的试样在溶液盒中密封，设置相关参数，进行高载小幅载荷条件下的拉伸试验，每48 h更换一次溶液。按试样有效韧带截面面积上的应力值100%Rt0.5和85%Rt0.5确定试验载荷，进行两种应力水平下的高载小幅应力腐蚀开裂试验，加载频率f=0.02 Hz正弦波，应力比R分别为0.85，0.75。试验开始后，每隔一定的时间，采用读数光学显微镜对裂纹的长度进行测量，得到不同循环周次下的裂纹长度。用相邻两次测量的裂纹长度和对应的循环周次，计算获得不同循环周次下的裂纹扩展速率，方法如下：假设第j次测量的裂纹长度为aj，对应的循环周次为Nj；第j-1次测量的裂纹长度为aj-1，对应的循环周次为Nj-1，则循环周次Nj下的裂纹扩展速率(da/dN)j=(aj-aj-1)/(Nj-Nj-1)。

高载小幅波动试验采用英国Instron 8810液压伺服疲劳试验机，频率范围0.001～20 Hz。试样断口形貌采用TESCAN-VEGAⅡ型扫描电子显微镜观察。

2 试验结果与讨论

2.1 应力水平和应力比R对X80管线钢管焊缝材料应力腐蚀开裂速率的影响规律

图2示出试验获得的不同应力比和不同应力水平下的裂纹长度随循环周次N的变化曲线。

图2 裂纹长度a随循环周次N变化曲线

从图2可以看出，在相同时间内(N相同)，在σmax=85%Rt0.5和R=0.85的试验条件下的裂纹长度最小，在σmax=100%Rt0.5和R=0.75的试验条件下的裂纹长度最大；应力比R和循环周次N相同条件下，提高应力水平，裂纹长度增加；应力水平和循环周次N相同条件下，减小应力比R，裂纹长度显著增加。

图3示出试验获得的X80钢管焊缝在不同应力比(R=0.8，0.75)和不同应力水平(100%Rt0.5，85%Rt0.5)下裂纹扩展速率da/dN随循环周次N的变化曲线。在R=0.85的条件下，比较100%Rt0.5和85%Rt0.5两个应力水平下的裂纹扩展速率da/dN，可见，在高应力比下，提高应力水平，裂纹扩展速率略有增加，但并不显著；在应力水平固定(100%Rt0.5或85%Rt0.5)条件下，应力比R从0.85降低到0.75，裂纹扩展曲线大幅度上移，裂纹扩展速率显著提高。另外，从图中R=0.75条件下两个应力水平的裂纹扩展速率曲线可以看出，裂纹起始扩展速率较快，而且随着时间延长和循环周次N增加，裂纹扩展速率进一步提高，最后瞬间发生断裂。但是，随着载荷降低和应力比增加，裂纹起始扩展速率迅速降低，达到瞬间断裂的时间会大幅度延长。

图3 裂纹扩展速率da/dN随循环周次N变化曲线

2.2 裂纹形貌和断口微观分析

裂纹扩展形貌和扩展长度采用暗场光学显微镜进行观察。图4示出在σmax=100%Rt0.5和R=0.85试验条件下，X80钢管焊缝试样在试验前后的裂纹形貌。图4(a)为试验前疲劳预制裂纹形貌，长度为1 mm；图4(b)为经过336 h，22 450次循环后的裂纹扩展形貌，发现裂纹扩展长度约0.5 mm，平均裂纹扩展速率为2.23×10-5mm/N。图5示出了σmax=85%Rt0.5和R=0.85试验条件下，X80钢管焊缝试样在试验前后的裂纹形貌。图5(a)为试验前疲劳预制裂纹形貌，长度为0.8 mm;图5(b)为经过360 h，24 056次循环后的裂纹扩展形貌，发现裂纹扩展长度约0.2 mm，平均裂纹扩展速率为8.3×10-6mm/N。

(a)试验前疲劳预制裂纹形貌

(b)经336 h，22 450次循环后的裂纹扩展形貌

图4 在σmax=100%Rt0.5和R=0.85试验条件下试验前后宏观裂纹形貌 50×

(a)试验前疲劳预制裂纹形貌 (b)经360 h，24 056次循环后的裂纹扩展形貌

图5 在σmax=85%Rt0.5和R=0.85试验条件下试验前后宏观裂纹形貌 100×

观察X80钢管焊缝试样在高载小幅波动应力腐蚀开裂试验后的断口及断口侧面，发现比较严重的腐蚀。以裂纹扩展速率最快、断裂前用时最短，σmax=100%Rt0.5和R=0.75试样为例(见图6)，断口形貌中存在大量的腐蚀产物，断口存在被腐蚀的痕迹，通过清洗除掉表面的腐蚀产物后，用扫描电镜观察断口形貌，发现存在解理扩展的脆性断口特征，如图7(a)所示。随着高载小幅波动应力腐蚀试验时间的延长，裂纹扩展速率不断提高，断口形貌观察到阶梯状的扩展特征，说明在这个过程中，裂纹扩展速率较大，同时，较大塑性变形促进电化学腐蚀，如图7(b)所示。高载小幅波动条件下的近中性土壤应力腐蚀开裂裂纹扩展是复杂的力学和化学耦合作用机制，研究认为解理和准解理脆性特征与H原子导致的氢脆有关[4，19]，局部塑性断口微观特征与裂纹扩展过程中发生较大的塑性变形有关，尤其是在断裂前裂纹快速扩展阶段。关于高载小幅波动条件下的近中性土壤应力腐蚀开裂裂纹扩展机制，尚有待进一步深入研究。

图6 在σmax=100%Rt0.5和R=0.75试验条件下试样断裂后宏观形貌

以上试验研究结果表明，高载小幅波动对X80管线钢焊缝在近中性土壤中的应力腐蚀开裂速率有显著影响。应力比R降低，载荷波动幅度提高会显著增加应力腐蚀开裂速率，载荷波动对应力腐蚀开裂的影响程度显著高于应力水平的影响。实际管道工程中，一方面要尽可能减少制管缺陷，避免应力集中；另一方面更要控制压力波动，以降低管道发生近中性土壤应力腐蚀开裂的风险。在进行管道近中性土壤应力腐蚀开裂敏感性调查和风险评估时，除了土壤环境、防腐措施有效性等因素外，压力波动情况要作为重要因素考虑。

(a)

(b)

3 结论

(1)高载小幅波动对X80管线钢焊缝在近中性土壤中的应力腐蚀开裂速率有显著影响。应力比R降低，载荷波动幅度提高会显著增加应力腐蚀开裂速率。

(2)实际管道工程中，应尽可能控制压力波动，以降低管道发生近中性土壤应力腐蚀开裂的风险。

(3)西气东输二线等X80管道沿线存在近中性土壤应力腐蚀开裂环境。在进行管道近中性土壤应力腐蚀开裂敏感性调查和风险分析时，除了关注土壤腐蚀环境、防腐措施有效性等因素外，压力波动情况也应作为重要考虑因素。