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解密:应力腐蚀破裂的原因
发布:s0208_2016   时间:2016/6/1 15:41:01   阅读:949 
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概述
管道中的应力腐蚀破裂起源于埋地管线外表面的小裂纹。严重时,它可导致构件失效。
 
仔细观察管道表面显示应力腐蚀破裂(两组小黑线的聚集)的迹象
来源:Davidmack-Wiki Commons
 
应力腐蚀破裂(SCC)是一种环境诱导型破裂(EAC),裂纹的形成或由于管道周围大量因素与环境作用。

SCC的发生是由于腐蚀和拉应力结合的结果。腐蚀与材料和环境的敏感性相关,而应力可能是残余应力,或外部应力。

管道的SCC最显著特征是管道外表面分散或平行的裂纹,无论环境pH值为多少。

SCC通常沿纵向发展,而导致它的主压力一般是内部应力。下面来看看一些不同类型的应力腐蚀开裂,以及它们是如何发生的。
 
导致SCC的条件
1.特定的开裂环境  
环境是指管道的表面条件,该环境可能与管道涂层周围的土壤相隔离,二者的状况也有所不同。

控制SCC初始形成的四个特定环境因素有:涂层、土壤、温度及阴极电流水平的状况。

管道涂层类型:SCC通常始于管道表面的涂层剥落或损伤。涂层的抗剥离性是其主要性能,它影响管道外部腐蚀的所有形式。涂料的粘合性很好时,通常对土壤从湿/干循环和冻结/解冻循环的机械作用有抗性。它们也能够更好地抵抗水传输和阴极剥离。

土壤:土壤中有几个因素影响SCC形成的环境。它们是土壤类型、排水系统、CO2、温度和电导率。土壤的水分含量也是一个因素。

阴极保护:阴极保护(CP)电流的存在是管道表面碳酸盐/碳酸氢盐环境形成的重要因素,这些也是高pH下SCC发生的地方。对于近中性pH值SCC,CP不存在这种影响。

温度:温度对高pH下SCC的发生影响显著,而对近中性pH下的SCC没有影响。

2.SCC敏感性材料   
除了特定环境,敏感性管道材料是SCC发展的另一个必要条件。一些管道特性和品质被认为是决定它们是否有SCC发生敏感性的因素。这些因素包括管道制造过程、钢的类型和等级、钢的洁净度(是否存在杂质或夹杂物)、钢的组成、钢的塑性变形特性(循环软化特性)、钢材温度和管道表面状况。

3. 比临界应力高的拉应力
当拉应力大于临界应力时,可能会导致SCC,尤其是有动态或循环应力时。应力是管壁内单位面积的“负载”。埋地管线受到不同来源的不同类型的应力。管道填充物受压,这通常是管壁应力的最大来源。管道周围的土壤移动是应力的另一来源。管道的制造工艺如焊接也能产生应力。这些被称为残余应力。
 
SCC发生的必要条件
 
应力腐蚀破裂的类型
管道SCC进一步的特征为“高pH SCC”或“近中性pH SCC”。请注意,“pH值”在这里指的是管道表面裂纹位置处环境的pH值,而不是土壤本身的pH值。

高pH应力腐蚀破裂(经典型)
高pH SCC发生在管道的外表面,与管道表面接触的电解质的pH为8-11,且碳酸盐/碳酸氢盐的浓度非常高。在涂层剥落处能发现这些电解质,此处的阴极保护电流不足以保护管道。这种类型的SCC可能由于一种反应而发展,即由阴极反应产生的氢离子与土壤有机物分解产生的二氧化碳(CO2)之间的相互作用。

这种形式的SCC是温度敏感型的,高于100°F(38℃)时更易发生。这就是为什么压缩站下游工作温度在可能达到150°F(65℃)时,SCC发生的可能性更大。

高pH值的SCC是晶间腐蚀;金属中裂纹在晶间传播,通常不存在与一般腐蚀相关联的迹象。这些裂纹很致密且狭窄。

近中性pH应力腐蚀破裂(非经典型)
近中性pH SCC环境似乎含有稀释地下水,其中溶解了CO2。二氧化碳的来源通常是土壤中的有机物和化学反应的分解。已经发现低pHSCC发生在低浓度的碳酸和碳酸氢根离子中,以及其它物质包括氯化物,硫酸盐和硝酸根离子环境下。

典型情况下,这种SCC源于外表面已经有点蚀或全面腐蚀的位置。这种损伤有时肉眼看很明显,有时又很难观察到。

近中性pH值形式的SCC是穿晶型;裂纹沿晶粒在金属内传播,裂纹比高pH值形式SCC下更宽(更开阔)。换句话说,裂纹两侧都有腐蚀金属的损失。近中性pH值SCC的温度依赖性比高pH值 SCC要低。

裂纹扩展如何发生
管道应力腐蚀破裂始于埋地管线外表面小裂缝的扩展。这些裂缝起初不可见,但随着时间的延续,这些单个裂纹可能长大并增殖,许多裂纹结合到一起形成较长的裂纹。

SCC现象有四个关键阶段:
1.应力腐蚀裂纹的萌生
2.裂纹的缓慢增长
3.裂纹的聚合
4.裂纹扩展和结构破坏

该过程可以由于管线的钢材、环境、应力条件持续很多年。因此,SCC引起的失效相对少见,尽管它的破坏损失会很大且破坏性极强。
 
应力腐蚀裂纹的增殖模式
 
译自:corrosionpedia
来源:材料与测试
译者:Sarah
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