X80管線鋼的失效分析

1、目錄目錄1.引言.11.1 x80 管線鋼發(fā)展背景.11.2 x80 管線鋼的研究現(xiàn)狀.21.2.1 x80 管線鋼的發(fā)展歷史.21.2.2 x80 管線鋼的成分、組織性能.41.2.3 x80 管線鋼的焊接技術.51.2.4 x80 管線鋼焊接熱影響區(qū)組織.62. x80 管線鋼的應力腐蝕斷裂.72.1 管線鋼應力腐蝕破裂的特點.72.2 管線鋼應力腐蝕破裂的機理.92.2.1 硫化氫應力腐蝕開裂機理.92.2.2 igscc 破裂機理.122.2.3 tgscc 破裂機理.133. x80 管線鋼焊接接頭的低溫斷裂.143.1 管線鋼的低溫脆斷韌性.143.2 低溫脆斷韌性研究.144.西

2、氣東輸二線 x80 管線鋼焊接失效性分析.154.1 x80 管線鋼在西氣東輸二線中的應用.154.2 x80 管線鋼焊接失效的原因分析.154.2.1 宏觀觀察.154.2.2 微觀組織觀察.164.2.3 能譜分析.164.2.4 掃描電鏡分析.174.2.5 金相顯微組織觀察.184.2.6 綜合分析.195.總結(jié).19 西安石油大學本科論文 11.引言引言1.1 x80 管線鋼發(fā)展背景管線鋼發(fā)展背景隨著全球能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，石油天然氣的需求增加，極大地促進了管線工程的發(fā)展，同時也推動了 x80 管線鋼的開發(fā)步伐，2002 年 8 月，國家經(jīng)貿(mào)委、中國石油天然氣集團公司、中國鋼鐵協(xié)會等

3、單位組織召開了“十五”國家重大技術裝備研制和國產(chǎn)化會議，與會專家一致通過“大口徑輸氣管線用 x80 板材國產(chǎn)化及評價”課題的可行性論證，并報國家經(jīng)貿(mào)委批準，正式列入“十五”國家重大技術裝備研制和國產(chǎn)化項目。2005 年 3 月 26 日，寶鋼應用高強度高韌性 x80 管線鋼制成的管徑為 1016mm，壁厚為 15.3mm 的螺旋縫埋弧焊鋼管，在河北景縣成功對接，首條 x80 輸氣管線應用工程正式開工建設，標志著我國長輸管線向高強度、高壓力、大口徑方向發(fā)展。隨著我國天然氣工業(yè)的發(fā)展，長輸管道建設將在未來幾年進入高速發(fā)展期，高鋼級管線鋼擁有廣闊的應用前景。x80 管線鋼作為我國重點發(fā)展的長輸管道高

4、鋼級管線鋼，已經(jīng)少量應用于我國管道工程建設中。隨著“西氣東輸”天然氣管道的全面投產(chǎn)和中俄、中哈跨國油氣管道建設高潮的來臨，油氣田逐漸向高寒地區(qū)、海上以及高含硫等資源進展，油氣管線使用的安全性成為學術界普遍關心的問題，從而對管道材料提出了更高的要求。長輸管道在服役過程中，通常遇到土壤、原油或天然氣等強腐蝕介質(zhì)，其中許多是在高溫、高壓和高流速等條件下服役，其腐蝕問題顯得更為突出和嚴重。長輸管線穿越沙漠、沼澤和鹽堿等復雜地區(qū)，管線外壁長期與土壤中的腐蝕性介質(zhì)相接觸，內(nèi)有強腐蝕的輸送介質(zhì)，腐蝕狀況非常嚴重。我國的埋地管道投產(chǎn) 12 年后即發(fā)生腐蝕穿孔的情況已屢見不鮮。對于埋地管道最普遍發(fā)生的全面腐蝕，

5、一般采用防腐蝕涂料涂裝以及實施陰極電流保護的方法進行保護。但管線在長期服役過程中，防腐涂層有可能發(fā)生破損和剝落，使管線鋼重新暴露于腐蝕環(huán)境中，此時管線鋼在應力的作用下會產(chǎn)生微裂紋，并在腐蝕作用下不斷擴展，當裂紋擴展到足夠大時，就會導致管線的應力腐蝕破裂（stress crossion craking，scc） 。應力腐蝕破裂是一種沒有預兆的失效形式，所造成的損失非常巨大。隨著高寒地帶油氣田的開發(fā)以及管道輸送壓力和鋼材等級的提高，管道發(fā)生脆性斷裂的問題尤為突出。壓力管道作為一種典型的焊接結(jié)構(gòu)，由于焊接過程常使焊接接頭的組織性能劣化及焊接缺陷處嚴重的應力集中，使焊接缺陷處成為整個焊接管道中最薄弱部

6、位，服役過程中往往成為裂紋的源頭，造成裂紋的擴展甚至失穩(wěn)斷裂。x80 管線鋼是控軋控冷的低碳合金鋼，具有高強度和良好的抗延性斷裂能力，是 西安石油大學本科論文 2輸氣管道的主導鋼材。針對國產(chǎn) x80 管線鋼的研究還局限在制管技術及焊接性等方面的研究。而關于國產(chǎn) x80 管線鋼在環(huán)境中的應力腐蝕以及低溫斷裂評定的研究尚處于空白，加強對國產(chǎn) x80 管線鋼管道安全可靠方面的研究，增加高壓、高強管線鋼的技術儲備顯得尤為重要。1.2 x80 管線鋼的研究現(xiàn)狀管線鋼的研究現(xiàn)狀1.2.1 x80 管線鋼的發(fā)展歷史管線鋼的發(fā)展歷史管線運輸是長距離輸送石油、天然氣最經(jīng)濟、合理的運輸方式，為了提高輸送效益、降低

7、能耗、減少投資，國際管線輸送技術正朝著長距離、大口徑、高壓力方向發(fā)展，高壓輸送要求使用強度更高、韌性更好的管線鋼，高鋼級管線鋼可以減少鋼材消耗，降低材料費用，因此高壓輸送管道采用高鋼級管材呈強勁的發(fā)展趨勢，工業(yè)發(fā)達國家普遍將 x80 管線鋼列為 2l 世紀天然氣輸送管線的首選鋼級。據(jù) europipe 公司介紹，鋼管費用占管道建設總投資的 l/3 左右，在同樣的輸量下，提高鋼管強度就能降低壁厚，節(jié)約成本，1 條 250km 的輸氣管線，當輸氣量不變時，由 x80 管線鋼代替 x70 管線鋼，由于壁厚減薄可節(jié)省鋼材 2 萬 t，降低成本 7。x80 管線鋼主要是通過細晶強化、析出強化、位錯強化、

8、亞晶強化以及置換強化提高鋼的強度，雖然管線鋼級的發(fā)展，提高強度是主要目的，但相應地也需要提高鋼的韌性、焊接性、較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和保證一定的耐腐蝕性等。 輸送油氣的大口徑鋼管，19 世紀末首先在美國發(fā)展起來，1891 年美國建成第一條天然氣長輸管線（約 200km） ，1925 年建成第一條焊接鋼管天然氣管線。1928 年美國石油學會（american petroleum institution）制定了 api spec 5l 焊管標準，以后每年 api spec 5l 標準經(jīng)過一次修訂，至今已形成鋼級從 x42、x60、x65、x70、x80 等比較完善的焊管標準體系。 隨著管道輸送壓力的不

9、斷提高，輸送鋼管也相應地迅速向高鋼級發(fā)展，20 世紀 6070 年代一般采用 x52、x60、x65 鋼級，近年來國際上長輸管道普遍采用 x70 管線鋼，據(jù)統(tǒng)計其使用量占到供貨總量的 90%左右。1985 年德國 mannesmann 鋼鐵公司研制成功了 x80 管線鋼，并鋪設了 3.2 公里的試驗管道，標志著高鋼級管材應用的新開端，為了大幅度提高強度來降低管線鋼管的運營成本，世界上許多大型企業(yè)都在進行更高強度級別的管線鋼的研制，exxonmobil 公司和新日鐵已經(jīng)成功地完成了 x120 的開發(fā)，大大加快了管線鋼高強度化的進程國外 x80 管線鋼的開發(fā)、生產(chǎn)應用已經(jīng)漸趨成熟，在管線設計、煉鋼

10、軋鋼、制管成型、焊接工藝、檢測評定、防腐保護、運營維護、工藝優(yōu)化等方面積累了豐富的經(jīng)驗。當前，x80 管線鋼的工業(yè)應用將逐步開始，德國、加拿大、日本、英國等國家均具備 x80 管線鋼管規(guī)模生產(chǎn)的能力，并已 西安石油大學本科論文 3經(jīng)運用到多條管線中。目前全球已建成的 x80 輸氣管道見表 1-1。表 1-1 國外已建成的 x80 輸氣管道table 1-1 x80 gas pipeline of the whole world has been founded 我國管道工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了三個高潮期。1958 年開始建設長距離原油輸送管道，1965 年開始建設長距離天然氣輸送管道，在 20 世紀

11、60 年代中期至 70 年代初形成了第一個發(fā)展高潮，在此期間建成的主要管道有四川天然氣管網(wǎng)和東北輸油管道等。20 世紀 90 年代逐漸形成第二個發(fā)展高潮，在此期間建成的主要有鄯烏輸氣管道、庫鄯輸油管道和陜京輸氣管道。隨著我國對石油、天然氣能源需求的急劇增加，又迎來了一個前所未有的管線建設高潮。近期竣工的主要有澀寧蘭輸氣管道、蘭成渝成品油管道和西氣東輸管道；正在建設的有忠武輸氣管道、陜京二線輸氣管道、沿江原油管道(南京至荊門、岳陽)及環(huán)珠江三角洲輸氣管道等；正在規(guī)劃的有中哈管道以及中俄管道等。在我國管道建設的不同階段，管線鋼的發(fā)展變化非常迅速。20 世紀 5070 年代管線鋼主要采用 a3 鋼和

12、 16mn 鋼；70 年代后期和 80 年代采用從日本進口的 ts52k 鋼(相當于 x52 級鋼)；90 年代，塔里木三條油氣管道、鄯烏輸氣管道、庫鄯輸油管道和陜京輸氣管道采用的 x52、x60、x65 級熱軋板卷主要由寶鋼和武鋼生產(chǎn)供應。 “八五”期間，通過冶金部門和石油部門的聯(lián)合攻關，成功研制和開發(fā)了 x52x70 級高韌性管線鋼，并逐步得到廣泛應用。西氣東輸工程采用了 x70 級管線鋼，其中螺旋縫埋弧焊管全面實現(xiàn)了國產(chǎn)化，前期的直縫埋弧焊管仍依賴進口，后期的采用了巨龍鋼管公司生產(chǎn)的 jcoe 焊管。對于 x80 高鋼級管材的研究和應用，石油部門與冶金部門聯(lián)合開展了 10 余項國家基礎攻

13、關、應用基礎研究和技術開發(fā)項目，其中包括國家“973”項目“高強度管線鋼的重大工藝基礎研究” ，中油集團技術開發(fā)項目“x80 管線鋼管的開發(fā)與應用” 、 “x80 管線鋼的焊接及高韌性焊材選擇”等等。寶鋼、武鋼、鞍鋼等都相繼成功開發(fā)了 x80 級熱軋板卷和寬厚鋼板，寶雞、華油、巨龍等公司相繼成功開發(fā) 西安石油大學本科論文 4了 x80 級螺旋縫埋弧焊管和直縫埋弧焊管。1.2.2 x80 管線鋼的成分、組織性能管線鋼的成分、組織性能提高鋼強度既簡便又經(jīng)濟的方法是增加碳含量，但是碳含量的增加會使其他性能如成型性、焊接性、塑韌性等性能降低。管線鋼的發(fā)展是碳含量持續(xù)降低，強度水平連續(xù)升高的發(fā)展歷史，自

14、上世紀 60 年代開始，隨著油氣管道輸送壓力和管徑的增加，開始使用低合金高強鋼（hsla）并成為此時鋼種的主流，這類鋼主要以熱軋及正火狀態(tài)供貨，其主要化學成分為：c0.20%，合金元素35%。隨著管線鋼的進一步發(fā)展，美國石油組織在 api 5ls 標準中提出了微合金控軋鋼 x56、x60、x65 三種鋼，這種鋼突破了傳統(tǒng)鋼的觀念，碳含量為 0.10%-0.14%，在鋼中加入0.20%nb、v、ti 等合金元素，并通過控軋工藝使鋼的力學性能得到顯著改善。1973 年和 1985 年 api 標準又相繼增加了 x70 和 x80 管線鋼，而后又開發(fā)了 x100 管線鋼，碳含量降到 0.01%-0.

15、04%，真正出現(xiàn)了現(xiàn)代意義上的多元微合金控軋控冷鋼。微合金化技術使鋼不但獲得了高強度而且保持了高水平的綜合性能。 x80 管線鋼采用了超低碳含量、高錳、超低硫、nb-v-ti 復合微合金化、控制組織的 mo 的低合金化成分設計。在制造工藝上綜合了超低碳、超低硫、夾雜物形態(tài)控制的純凈鋼冶煉技術和控軋控冷的熱處理熱軋工藝。通過成分和工藝的最佳配合，獲得具有高強度、高韌性的針狀鐵素體組織。mn 能夠推遲鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變，降低 bs 點，有利于形成細晶粒的針狀鐵素體，同時起固溶強化作用，但錳的含量不宜超過 2.0%，因錳易在鋼中形成偏析帶，造成鋼的組織和硬度不均勻性。微合金化元素 nb，v 和 ti

16、 都起到提高強度和韌性的作用，三個元素均是通過細化晶粒和沉淀強化提高強度，但每種機理強化程度不同。nb 具有最強的細晶強化效果，而 v 具有最強的沉淀強化效果，ti 介于上述兩者之間。晶粒細化是唯一能夠同時提高強度和韌性的強化機理。nb 是能夠同時提高強度和韌性的元素，nb 的晶粒細化引起的強烈效果與其在軋制時通過固溶，特別是碳氮化 nb 析出延遲奧氏體再結(jié)晶有關系；nb 阻止在軋制最后階段奧氏體的再結(jié)晶，促進了扁平晶粒的變形，從而形成非常細的鐵素體晶粒。nb 的另一個重要影響是在中低碳鋼中降低轉(zhuǎn)變溫度促使貝氏體組織的形成，降低轉(zhuǎn)變溫度是由于在軋制過程中仍有一部分 nb 留在固溶體中而沒有發(fā)生

17、沉淀反應。這一效果在同時加入 nb 和 mo 或同時加入 nb 和 b 時由于協(xié)同作用而加強，x80 管線鋼是一個應用實例，鐵素體-低珠光體組織在得到韌性要求的同時卻達不到強度級別。 在厚板中加入少量的鉬（0.15%） ，鉬使鐵素體析出線明顯右移，但并不明確推移 西安石油大學本科論文 5貝氏體轉(zhuǎn)變，所以在較寬的冷卻范圍內(nèi)過冷奧氏體直接發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，而沒有或很少先共析鐵素體析出，從而保證厚板的心部也能在較低的冷速下獲得貝氏體組織，提高鋼的強度。 表 1-2 部分 x80 管線鋼管產(chǎn)品的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%) table1-2 chemical compositions of some x80

18、 steel tubes (mass%) x80 管線鋼不但通過微合金化保證鋼材的性能，而且還要通過控軋控冷工藝獲得優(yōu)良的性能。控軋就是定量、預定程序地控制熱軋鋼的形變參數(shù)、終軋溫度以及冷卻時的軋制工藝，從而獲得最佳的細化晶粒和第二相均勻分布的組織狀態(tài)，有效的改善鋼的性能。 x80 管線鋼的典型組織為針狀鐵素體或低碳貝氏體。針狀鐵素體鋼（一般c0.06%）的特點是，針狀鐵素體組織中含碳量低，鐵素體板條相界面不存在碳化物。同時由于轉(zhuǎn)變溫度低，晶內(nèi)位錯密度高。這類鋼具有比鐵素體-珠光體型鋼更好的焊接性能（pcm0.20%） 、抗 hic 性能以及相當高的沖擊韌性和斷裂韌性，是現(xiàn)代高壓輸氣管線的專用

19、鋼種。 高鋼級管線鋼管的使用，雖然降低了鋼管自重，減少了野外焊接工作量，節(jié)約了管線工程建設成本，但同時對鋼材提出了更高的性能要求：高的屈服應力；高韌性和低的脆性轉(zhuǎn)變溫度；良好的野外焊接性能；一定的耐腐蝕能力；良好的成型性；高的鋼質(zhì)純凈度。1.2.3 x80 管線鋼的焊接技術管線鋼的焊接技術x80 的焊接方法主要包括焊條電弧焊、藥芯焊絲半自動焊、熔化極氣體保護自動 西安石油大學本科論文 6焊以及以上幾種方法的混合焊。其中藥芯焊絲半自動焊和極化氣體保護焊主要在主線路焊接中使用，焊條電弧焊則用于主線路返修和連頭的焊接。由于 x80 鋼的晶粒細小，在焊接熱循環(huán)作用下，焊接熱影響區(qū)（haz）會發(fā)生相變、

20、晶粒粗化、再結(jié)晶等現(xiàn)象，使得線能量對 haz 軟化有較大的影響。焊接線能量越大，軟化區(qū)范圍就越寬。另外，母材的強度和成分對 haz 軟化也有一定的影響，當鋼中含鈮、釩、鈦等微合金元素時，軟化區(qū)寬度會變窄。焊縫金屬與母材強度匹配對管線鋼的斷裂行為有較大的影響，焊縫金屬和母材屈服強度在選材上的差別是防止由焊縫金屬缺陷引起的嚴重的塑性變形的重要手段。如果焊縫金屬的強度高于母材，那么母材就有可能發(fā)生屈服；如果焊縫金屬的強度低于母材，屈服就不會發(fā)生在管道上，焊縫金屬會發(fā)生應變，這就要求焊縫具有更高的韌性，從而防止裂紋在缺陷處產(chǎn)生。一般來說，焊縫金屬強度應該高于母材。因此，管線鋼的級別越高，焊縫金屬與母材

21、的匹配也就越困難。1.2.4 x80 管線鋼焊接熱影響區(qū)組織管線鋼焊接熱影響區(qū)組織 在焊接過程中，焊縫兩側(cè)發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域被稱為焊接熱影響區(qū)（haz） 。焊接熱影響區(qū)附近各區(qū)域距離焊縫遠近不同，各區(qū)域晶粒的焊接熱循環(huán)不同，就會出現(xiàn)不同的組織，表現(xiàn)出不同的性能。因此，焊接熱影響區(qū)是一個具有組織階梯和性能階梯的非均勻連續(xù)體。 如圖 1 所示：焊接熱影響區(qū)組織按照其所晶粒的熱循環(huán)的差異，分為熔合區(qū)、過熱晶粒區(qū)、相變重結(jié)晶去、不完全結(jié)晶區(qū)、時效脆化區(qū)等五個區(qū)域。 圖 1 焊接熱影響區(qū)組織 西安石油大學本科論文 7（1） 熔合區(qū)是焊縫與基體組織的交界區(qū)。由于焊接過程中，這個部分的金屬被加熱到 熔

22、化狀態(tài)，奧氏體達到過熱溫度以上，故組織中包含了鑄造組織，且形成粗晶區(qū)， 這個區(qū)域的塑性和沖擊韌性很差，雖然在整個區(qū)域中很窄，但對焊接接頭的性能 具有很大的影響。（2） 過熱晶粒區(qū)的金屬被加熱到奧氏體過熱溫度，形成晶粒粗大的奧氏體過熱組織，冷卻后得到粗晶粒組織，使得塑性和沖擊韌性大幅度降低，當鋼中碳含量和合金元素較高時，這一區(qū)域的力學性能更差（3） 相變重結(jié)晶區(qū)又稱為完全結(jié)晶區(qū)。這個區(qū)域的金屬被加熱到稍高于 a3線以上到 1100，此區(qū)域的金屬經(jīng)歷了由 及 的兩次相變，故晶粒細小，力學 性能較好。（4） 不完全結(jié)晶區(qū)又被稱為不完全正火區(qū)。加熱溫度在 acl-ac3之間。由于只有一部分組織發(fā)生了相

23、變重結(jié)晶，因此該區(qū)域在由發(fā)生相變的細小組織和未發(fā)生相變的組織構(gòu)成，組織不均勻，力學性能比相變重結(jié)晶區(qū)差。（5） 時效脆化區(qū)只在低碳鋼中發(fā)現(xiàn)，一般情況下，在低于 ac1的溫度對母材的組織不產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。2. x80 管線鋼的應力腐蝕斷裂管線鋼的應力腐蝕斷裂2.1 管線鋼應力腐蝕破裂的特點管線鋼應力腐蝕破裂的特點應力腐蝕破裂（stress corrosion cracking scc）是金屬材料在應力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生的一種低應力脆斷現(xiàn)象。應力腐蝕破裂影響因素眾多，它是環(huán)境、力學、冶金等眾多因素交織在一起，屬于交叉學科，需要運用斷裂力學、斷裂物理和電化學及材料學等方面的基礎知識進行深

24、入研究。到目前為止，應力腐蝕破裂機理仍在不斷發(fā)展。因此需要進行更深入的研究，才能發(fā)展新的應力腐蝕破裂機理，從而找出有效防止應力腐蝕破裂的方法。 輸油氣管道的應力腐蝕破裂現(xiàn)象國內(nèi)外均有發(fā)生，1965 年至 1985 年間，美國累計有 250 多條管線發(fā)生了起源于外表面的應力腐蝕開裂，1995 年在俄羅斯的中、北部和西伯利亞地區(qū)相繼發(fā)生了管道應力腐蝕開裂失效事故，且裂紋多位于防腐層缺陷處的金屬表面。輸油氣管道所處的腐蝕環(huán)境主要為：內(nèi)部為輸送 西安石油大學本科論文 8油氣中含有的硫化氫（hs2） 、二氧化碳（co2）等腐蝕介質(zhì)；外部主要是潮濕土壤中的碳酸根離子（co） 、碳酸氫根離子（hco） 、硝

25、酸根離子(no） 、氫氧根離子- 23-3-3（oh-）等腐蝕介質(zhì)。 輸油氣管道的服役條件多為潮濕環(huán)境，輸送介質(zhì)含硫化氫等酸性物質(zhì)較多，管線鋼在濕硫化氫環(huán)境中的應力腐蝕斷裂，一直是許多學者的研究熱點，并取得了卓有成效的工作。不同材料、熱處理狀態(tài)、金相組織對濕硫化氫環(huán)境中的應力腐蝕破裂敏感性不同。一般認為，強度級別越高，對硫化氫的應力腐蝕越敏感。材料的硬度與硫化氫應力腐蝕的關系較大，硬度愈高，敏感性愈大。所以 nace mr0175 推薦在酸性介質(zhì)中，管線鋼的硬度極限為 hv248 或 hrc22。硫化氫應力腐蝕裂紋從外觀看無明顯的均勻腐蝕痕跡，其形態(tài)呈稀松分布的網(wǎng)狀或龜裂狀，常產(chǎn)生大量分叉，并

26、沿大致垂直于影響其產(chǎn)生及擴展的應力方向上連續(xù)擴展。深入到金屬內(nèi)部的應力腐蝕裂紋，就如植物根須一樣由表面向縱深發(fā)展。應力腐蝕的斷口是典型的脆性斷口。一般情況下，低碳鋼、低合金高強度鋼、黃銅、鋁合金等大多屬沿晶斷裂，裂紋大致垂直于拉應力方向，由晶間向縱深發(fā)展，這類沿晶斷裂在電鏡下觀察為冰糖狀花樣。 自 20 世紀 60 年代中期以來，世界各地油氣管道不斷發(fā)生管道外部應力腐蝕導致的管道斷裂事故，其中絕大部分發(fā)生在輸氣管道上。 土壤介質(zhì)引起的應力腐蝕可以分為高 ph scc（igscc）和近中性 ph scc（tgscc）兩大類，前者為沿晶 scc（igscc） ，后者為穿晶 scc（tgscc） ，

27、二者的主要特征對比見表 1-3。前者已有 40 余年的研究歷史，而后者是 1985 年首次在加拿大發(fā)現(xiàn)，研究初步認為，溶解和滲氫是近中性 ph scc 裂紋擴展的主要原因。這種近中性環(huán)境中管線的 scc 問題除了在加拿大出現(xiàn)外，世界上其他國家如澳大利亞、伊朗、伊拉克以及沙特阿拉伯等也有發(fā)生，幾年來，逐漸成為加拿大和其他國家腐蝕與防護科技工作者所關注的研究熱點，目前近中性 ph scc 的研究還不成熟。 表 1-3 近中性 ph 和高 ph scc 的條件和特征 table 1-3 condition and character of scc in near neutral ph values

28、and high ph values 西安石油大學本科論文 92.2 管線鋼應力腐蝕破裂的機理管線鋼應力腐蝕破裂的機理2.2.1 硫化氫應力腐蝕開裂機理硫化氫應力腐蝕開裂機理應力腐蝕開裂是一個非常復雜的問題，裂紋只是腐蝕破壞的一種形式，許多腐蝕學家認為，每一種“材料-環(huán)境”的特定體系各有其特定的機理。最早的有電化學腐蝕和活性通道理論開始，到膜破裂理論、腐蝕產(chǎn)物楔入理論、氫脆理論、化學脆化機械破裂兩階段理論、吸附理論和環(huán)境破裂三階段理論等。近年來，又有許多學者提出了一些新的見解，如 rebak 的沿晶界選擇性溶解理論、swan 的溶解促進局部塑性變形從而導致應力腐蝕開裂理論，關于硫化氫應力腐蝕破

29、裂機理，國內(nèi)外做了大量工作，但由于影響因素太多，而且相互交錯，迄今為止未曾獲得統(tǒng)一的認識。就廣義的 scc 機理而言，主要分為兩大類：（1） 陽極溶解機理陽極溶解型應力腐蝕機理認為金屬或合金浸泡在腐蝕介質(zhì)中，其金屬表面會形成一層鈍化膜，如應力能使位錯發(fā)生滑移，則滑移臺階將使表面膜局部破裂，局部地區(qū)(如裂尖)露出無膜的金屬，裸露的金屬相對于膜表面為陽極，膜為陰極，從而發(fā)生瞬時溶解。新鮮金屬在溶液中會發(fā)生再鈍化，鈍化膜重新生成后，溶解(裂紋擴展)就停止，已經(jīng)溶解的區(qū)域由于存在應力集中，因而使該處的再鈍化膜再一次破裂，又會發(fā)生瞬時溶解，這種膜破裂金屬溶解再鈍化過程的循環(huán)重復，就導致應力腐蝕裂紋的形核

30、和擴展。 陽極溶解理論都包含電化學過程，但應力腐蝕過程中的一些現(xiàn)象，如環(huán)境的選擇性，開裂臨界電位與腐蝕電位的關系，斷口形貌匹配等問題，用電化學理論不能合理的解釋。為此 uhlig 提出應力吸附開裂理論，他認為應力腐蝕斷裂是由于裂紋尖端某些特殊離子對金屬內(nèi)表面的吸附，削弱了金屬原子間的鍵合力，即金屬表面能降低，在拉應力作用下促使金屬開裂。這是純機械開裂模型，這個模型的最大支持是許多純金屬和合金在液態(tài)金屬中的脆斷。應力吸附理論可以解釋應力腐蝕的一些特征現(xiàn)象，但該模型不能解釋吸附離子對位錯的釘扎作用以及裂紋的孕育期等問題。根據(jù)陽極溶解促進室溫蠕變的實驗結(jié)果，jones 認為溶解產(chǎn)生的雙空位促進刃型位

31、錯攀移，從而松弛應變硬化。 magnin 認為，滑移使裂尖鈍化膜局部破裂后，受力最大的裂尖原子將擇優(yōu)溶解， 西安石油大學本科論文 10形成一個臺階。這相當于使裂紋變尖，應力集中增大，從而促進位錯從裂尖發(fā)出。kanfman 認為，原子沿滑移帶擇優(yōu)溶解能引起應力集中，應力升高能促進塑性變形并使它局限在裂尖附近；塑性應變愈大，溶解速率愈大，故局部塑性變形促進局部溶解，從而使裂尖應力進一步升高，形變進一步局部化，進而導致微裂紋形核。（2） 氫致開裂的機理氫致開裂的機理主要有氫壓理論、氫吸附后降低表面能的理論、氫降低原子間結(jié)合力理論（弱鍵理論） 、以及氫促進局部塑性變形的理論。前三種理論認為氫使材料脆斷

32、所需的臨界應力場強度因子 ki下降，它們原則上不討論塑性變形在氫致開裂和滯后斷裂中的作用。氫促進局部塑性變形的理論則認為，任何斷裂過程都是局部塑性變形發(fā)展到臨界狀態(tài)的結(jié)果，氫能促進塑性變形過程，從而在較低的外應力下就能使局部塑性變形發(fā)展到臨界值而引起氫致開裂。 氫壓理論是由 bennek 等提出的，由 zapffe 進一步完善。氫壓理論認為當金屬或合金中的氫有較大的飽和度，它們將在各種缺陷處結(jié)合成氫分子，形成很大內(nèi)壓，形成材料內(nèi)部的氫鼓泡甚至微裂紋，在外應力作用下微裂紋不斷擴展，最終形成宏觀裂紋。氫壓理論成功地解釋了電解充氫過程中產(chǎn)生的裂紋，鋼中白點以及鋼在硫化氫溶液中產(chǎn)生的微裂紋。 自從 7

33、0 年代提出氫促進塑性變形導致斷裂觀點以來，進行了很多研究，在各種氫致開裂的機理中，褚武揚等認為氫促進局部塑性變形從而促進斷裂的機理是最為主要的。氫促進位錯發(fā)射和運動(即促進局部塑性變形)，因此在比空拉更低的外應力下，氫促進的局部塑性變形就會發(fā)展到臨界條件，使得局部地區(qū)的應力集中等于被氫降低了原子鍵合力，從而導致氫致微裂紋在該處形核。原子氫進入微裂紋就復合成 h2產(chǎn)生氫壓，它能使微裂紋穩(wěn)定化，同時也能協(xié)肋局部應力使之解理擴展。這個氫致開裂的新機理考慮了氫促進的局部塑性變形，氫降低原子鍵合力氫壓的作用。根據(jù)這個理論導出的氫致滯后斷裂力學參量，從而就可定性解釋試樣中可擴散氫濃度、氫陷阱、溫度以及形

34、變速度對氫致開裂敏感性的影 響，但氫致開裂機理的定量化還有很多工作要做。 為了進一步研究顯微組織對 hic 裂紋敏感性的影響規(guī)律，用掃描電鏡背散射電子成像（bse）和能譜儀（eds）對 hic 實驗后的試樣進行分析，研究裂紋萌生的原因；通過對裂紋處的 sem 和背散射衍射（ebsd）對裂紋擴展路徑進行分析，判斷氫致裂紋的擴展方式。氫致裂紋萌生為了研究 x80 鋼中的夾雜物對 hic 敏感性的研究，通過掃描電鏡 bse 和 eds 對不同組織中的微裂紋和夾雜物成分進行分析，研究裂紋萌生的機理和擴展途徑。圖 2 中的 eds 結(jié)果表明，在裂紋處的夾雜物主要有三種，富 mn 夾雜（a） ，al、mg

35、、ca 夾雜（b） ，和富 si 夾雜（c） 。裂紋在 a 和 b 型夾雜處萌生或穿過， 西安石油大學本科論文 11但是在 c 型夾雜處沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，這說明夾雜物的成分對 hic 的形成具有顯著地影響。al2o3夾雜是不連續(xù)分布的硬脆相，在該夾雜處晶格發(fā)生顯著的畸變，因此很容易在夾雜物和基體的界面上形成缺陷。另外，氫進入鋼基體以后傾向于在這些缺陷處聚集并最終形成裂紋。在 mns 夾雜物處，由于局部溶解造成的孔洞能夠為氫在鋼中的聚集提供位置，并可能萌生形成裂紋。此外鏈條狀的 mns 夾雜是有效的可逆氫陷阱，在也能夠產(chǎn)生氫致裂紋。富 sio2夾雜容易發(fā)生形變從而能除殘余應力，且其形狀為圓形，夾雜物

36、周圍晶格畸變較小，故在 sio2處沒有發(fā)現(xiàn)裂紋的萌生。 西安石油大學本科論文 12 圖 2 hic 敏感性實驗后微裂紋處的 bse 和 edsa 原始組織、b 空冷組織、c 水淬組織 hic 擴展方式分析 為了探究氫致裂紋擴展的機理，用掃描電鏡對三種組織試樣斷面上的微裂紋進行了觀察，分析氫致裂紋的擴展方式，結(jié)果如圖 3 所示 圖 3 不同組織 x80 鋼裂紋擴展a：原始試樣，b：空冷試樣，c：水淬試樣從圖 3 中可以看出：試樣中的氫致裂紋均為典型的階梯狀裂紋，三種組織中裂紋的擴展發(fā)生有一定的差異，原始和空冷試樣中的氫致裂紋主要以穿晶裂紋為主，水淬試樣中則以沿晶裂紋為主，并伴隨著少量的穿晶裂紋。

37、 西安石油大學本科論文 132.2.2 igscc 破裂機理破裂機理對于 igscc 的機理較復雜，還在進一步的研究中。parkins 研究結(jié)果認為，對于沿晶應力腐蝕破裂（igscc） ，晶界區(qū)與晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及成份存在很大區(qū)別。對于含碳量較低的管線鋼，由于晶界碳化物的偏析，使得晶界與晶內(nèi)的成分有顯著差異，晶界區(qū)原子能量較高，電位較負，在溶液中相對晶粒內(nèi)部為陽極，優(yōu)先溶解，引起強烈的沿晶腐蝕，在應力的作用下，裂紋尖端金屬局部塑性變形導致其表面的保護膜破裂，導致陽極加速溶解，裂紋不斷擴展。胡鋼、徐淳淳等研究了 x70 管線鋼在 nahco3/na2co3溶液中應力腐蝕敏感條件下的電極過程及鈍化行

38、為。在活化鈍化過渡區(qū)，鋼表面發(fā)生的反應比較復雜，電極過程包含 fe 的陽極溶解、生成鈍化膜、鈍化膜的化學溶解三種過程，表面破壞處可能成為應力腐蝕裂紋源。wang 等人利用高分辨率 stem 研究了 x52 和 x65 管線鋼的晶界成份，發(fā)現(xiàn)在珠光體與珠光體、珠光體與鐵素體、鐵素體與鐵素體的晶界上沒有硫和磷元素的偏析，而在鐵素體與珠光體的晶界上發(fā)現(xiàn)了 mn 的周期性富集和貧化，并有滲碳體是富 mn 的。在 sem 的微觀結(jié)構(gòu)研究中，發(fā)現(xiàn)在鐵素體與鐵素體晶界上由碳化物片層，珠光體可能是由這些碳化物片層起始的。由于 c 污染，在 stem 中，未能觀察到晶界的碳含量分布，這說明 igscc 可能并非

39、是晶界偏析所致。2.2.3 tgscc 破裂機理破裂機理近十年來，許多專家學者加強了 tgscc 的研究，對 tgscc 的產(chǎn)生機理進行了研究，但未達廣泛的共識，總結(jié)起來有以下幾種觀點：（1） 陽極溶解機理wang 認為近中性 ph scc 直接與腐蝕率有關，支持陽極溶解機理。而parkins、beavers、rebak 等認為單純的陽極溶解機理不能解釋 tgscc，在近中性溶液中的應力腐蝕破裂并非出現(xiàn)在活化-鈍化過渡區(qū)，動電位掃描極化曲線表現(xiàn)為活性溶解，tgscc 裂紋擴展速率至少比由 faraday 定律預測的高 1-2 個數(shù)量級，因此 tgscc 不可能是陽極溶解機制。（2） 氫脆機理k

40、ushida、harle 等認為近中性 ph scc 與氫脆機理相關。rebak、plumtree 和 qiao 等證實了進入金屬中的氫的作用。zheng 等認為開裂特征與氫脆特征一致，例如 tgscc 的斷口形貌為帶有微孔的準解理斷裂。汪兵等研究了 16mn 管道鋼在近中性 ph 值溶液中的應力腐蝕行為，并認為應力腐蝕開裂為氫脆型應力腐蝕開裂。（3） 陽極溶解和氫作用的混合機理 西安石油大學本科論文 14pakins、 beavers 等通過試驗驗證了在近中性溶液中的應力腐蝕機理為陽極溶解與氫的共同作用。裂紋在鋼表面的蝕坑處萌生，蝕坑內(nèi)有足夠產(chǎn)生氫原子的低 ph 值，土壤介質(zhì)中含有的大量 c

41、o2維持著近中性水平。氫在近中性 ph 土壤中，反應后生成氫原子，進入鋼材，使金屬脆化，韌性降低，在陽極溶解（降低了鈍化膜的穩(wěn)定性，加快了溶解速率）和氫脆的交互作用下，裂紋萌生和擴展。郭浩等研究了外加電位對 x70 鋼在近中性溶液中的應力腐蝕破裂的影響，并認為陰極電位的應力腐蝕機理為氫脆占主導，而自腐蝕電位及陽極電位條件下是氫促進陽極溶解。3. x80 管線鋼焊接接頭的低溫斷裂管線鋼焊接接頭的低溫斷裂3.1 管線鋼的低溫脆斷韌性管線鋼的低溫脆斷韌性斷裂韌性作為材料的本質(zhì)性能指標，在管線鋼的抗斷設計和安全評定中得到了廣泛的應用，尤其是斷裂韌性 ctod （crack tip opening di

42、splacement 裂紋尖端張開位移）試驗。由于斷裂韌性 ctod 試驗的加載速率較低，與管線鋼的起裂相近，因而在管線鋼研究領域，ctod 是經(jīng)常使用的開裂型試驗和常用的起裂準則。 斷裂韌性 ctod 是為了處理大范圍屈服的彈塑性斷裂而發(fā)展起來的，它是由應力強度因子 ki延伸而來的一種斷裂應變判據(jù)。應力強度因子只適用于裂紋尖端處于線彈性和小范圍屈服的條件，即裂紋尖端附近的塑性區(qū)尺寸小于應力強度因子主導區(qū)時，才能應用線彈性斷裂力學的理論去分析裂紋體的斷裂問題。由于輸油氣管線的延性較好，因而受載時裂紋尖端會發(fā)生較大的塑性變形，導致屈服區(qū)較大。此時裂紋尖端已不能滿足線彈性條件，盡管可以采用線彈性力

43、學的方法加塑性區(qū)修正可以處理彈塑性問題，但對于含裂紋構(gòu)件的承載能力往往預測錯誤。因而在管線鋼的斷裂韌性評定中，裂紋尖端位移 ctod 方法為彈塑性問題的求解提供了可能，并通過大量實驗數(shù)據(jù)積累，已經(jīng)形成了基于值的管線鋼韌性評定標準，已足以保證 ctod 測試的準確性。同時不少學者已用物理概念明確、理論嚴密的應力應變場理論導出了 c的表達式，為 ctod 賦予了較嚴密的理論依據(jù)。 長輸埋地管線經(jīng)歷的環(huán)境溫度范圍很廣，從熱帶高溫至高原冬季接近零下 50的低溫。目前我國常用的結(jié)構(gòu)鋼材在常溫下韌性很好，低溫條件下韌性降低，因此管線鋼既有在常溫下發(fā)生韌性斷裂，也可能在低溫條件下發(fā)生脆性斷裂。裂紋尖端張開位

44、移（ctod）指標可以作為彈性階段、小范圍屈服直至大范圍屈服各個階段的斷裂判據(jù)，在管線鋼的斷裂分析中 ctod 指標將會發(fā)揮重要作用。 西安石油大學本科論文 153.2 低溫脆斷韌性研究低溫脆斷韌性研究 近年來，英國焊接研究所提出的測試斷裂韌度 kic、ctod()和 jic的統(tǒng)一試驗標準 bs7448，受到國際焊接學會的重視并予以推廣應用。目前已被國際標準局（iso）采納，編號為 iso/tc164/sc4-n400。經(jīng)試驗研究表明，隨著試驗溫度的降低，表征 x80 管線鋼抗開裂性能行為的最大載荷 ctod 呈現(xiàn)下降趨勢，這表明隨著工作溫度的降低，材料的抗開裂能力變差，焊縫在試驗低溫時都具有

45、較高的斷裂韌度值，而熱影響區(qū) ctod 值已經(jīng)很低，而在低溫時仍然有較高的抗開裂性能。比較得到，熱影響區(qū)仍然是焊接接頭抗開裂能力薄弱區(qū)域?？偨Y(jié)說明 x80 管線鋼整體具有較好的低溫抗開裂性能，母材和焊縫都達到了較高的抗開裂性能，熱影響區(qū)也具備一定的低溫抗開裂能力。 4.西氣東輸二線西氣東輸二線 x80 管線鋼焊接失效性分析管線鋼焊接失效性分析4.1 x80 管線鋼在西氣東輸二線中的應用管線鋼在西氣東輸二線中的應用西氣東輸二線西段西起霍爾果斯首站 ，東至寧夏中衛(wèi)聯(lián)絡站，全長 2434 km，設計壓力 12mpa，全部采用 1219 mm18.4 mm 規(guī)格的 x80 管材。管道走向途經(jīng)沙漠、戈壁

46、、平原、水網(wǎng)等多種地形、環(huán)境復雜的區(qū)域，由于 x80 管線鋼具有高強度和良好的抗斷裂韌性，采用 x80 管線鋼作為輸氣管道材料，與西氣東輸一線比較，強度增加14%，投資降低 10%，可以節(jié)約鋼材 14%以上，在減小鋼管的壁厚和重量的同時，也提高天然氣輸送安全。4.2 x80 管線鋼焊接失效的原因分析管線鋼焊接失效的原因分析 x80 管線鋼首次在西氣東輸二線西段大規(guī)模使用，之前未在國內(nèi)管道工程中得到廣泛應用，因此對于 x80 管線鋼焊接的研究，國內(nèi)行業(yè)存在實踐經(jīng)驗上的空白。特別是在某站進行氣密性試壓過程中，曾發(fā)生 x80 管線鋼對接環(huán)焊縫破裂現(xiàn)象，通過以下步驟的分析研究，可以為我們提供 x80

47、管線鋼焊接過程中寶貴的經(jīng)驗。4.2.1 宏觀觀察宏觀觀察。 西安石油大學本科論文 16 圖 4 焊縫裂紋表面宏觀形貌 通過肉眼觀察 x80 管線鋼對接環(huán)焊縫裂紋兩側(cè)壁的變形情況及變形程度，裂紋起源于焊縫連接處，該處臺階較尖銳，有應力集中現(xiàn)象，肉眼可見的裂紋長度約占焊縫周長 5/6 以上，呈“c”型。通過觀察，未發(fā)現(xiàn)塑性變形的痕跡，原始斷裂面有明顯反光感，氧化較輕微，宏觀上看裂紋屬于脆性斷裂4.2.2 微觀組織觀察微觀組織觀察 圖 5 x80 鋼焊接裂紋區(qū)域斷裂取樣微觀組織和裂紋形貌 通過對斷裂區(qū)域取樣進行微觀組織和裂紋形貌分析，由圖 5 可見，焊接裂紋源及裂紋內(nèi)部有許多與溶合區(qū)組織不同且邊界明顯的金屬填充物，金屬形態(tài)為圓形或半熔化后的流變形態(tài)。 西安石油大學本科論文 17 圖 6 x80 鋼接裂紋區(qū)域斷裂取樣放大圖片對該區(qū)域進行放大后觀察，如圖 6，發(fā)現(xiàn)填充物的組織為伸長的索氏體組織形貌，裂紋右側(cè)的焊縫組織為準多邊形鐵素體結(jié)構(gòu)，裂紋左側(cè)焊縫組織為沿填充物伸長方向形變的粒狀貝氏體和鐵素體組織，裂紋較遠處組織為均勻的粒狀貝氏體和鐵素體組成。4.2.3 能譜分析能譜分析對 x80 管線鋼主裂紋