外加电位对X80管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂行为的影响

赵新伟; 张广利; 张良; 罗金恒; 于美

doi:10.6047/j.issn.1000-8241.2014.11.002

外加电位对X80管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂行为的影响

1.
中国石油集团石油管工程技术研究院CNPC石油管工程重点实验室，陕西西安 710077
2.
北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191

基金项目:

中国石油天然气集团公司应用基础研究项目“高强度管道失效控制的应用基础研究” 2011B-3308

详细信息

作者简介:
赵新伟，教授级高工，1969年生，2004年博士毕业于西安交通大学材料科学与工程专业，现主要从事油气输送管和管道完整性技术的研究工作

中图分类号: TG172.4
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出版历程
- 收稿日期: 2014-08-21
- 修回日期: 2014-08-29
- 网络出版日期: 2023-08-20
- 发布日期: 2014-09-17
- 刊出日期: 2014-11-24

Influence of applied potential on stress corrosion cracking behavior of X80 pipeline steel in near-neutral pH soil environments

1.
CNPC Key Laboratory for PetroChina Tubular Goods Engineering, CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi'an, Shaanxi, 710077
2.
College of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing, 100191

More Information

Author Bio:
ZHAO Xinwei, Ph.D, professorate senior engineer, born in 1969, graduated from Xi'an Jiaotong University, materials science and engineering, in 2004, engaged in the research of oil/gas pipeline and pipeline integrity technology. Tel: 029-81887566, Email: zhaoxinwei001@cnpc.com.cn

摘要

摘要: 在模拟近中性pH土壤腐蚀环境的NS₄溶液中，采用慢应变速率拉伸（SSRT）试验、电化学极化和SEM观察，研究了外加阴极极化电位对X80管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂（SCC）行为的影响。结果表明：X80管线钢在近中性pH土壤环境中SCC敏感性较高，开裂模式为穿晶SCC；SCC机制随外加阴极极化电位不同而改变，外加阴极极化电位高于-900 mV时，SCC受阳极溶解和氢脆混合控制，外加阴极极化电位低于-900 mV时，SCC为氢脆控制；随着外加电位负向增加，慢拉伸试样的断面收缩率、延伸率和断裂时间降低，SCC敏感性增加，在实际管道阴极保护工程中要避免过保护。
- X80管线钢 /
- 近中性土壤环境 /
- 应力腐蚀开裂（SCC） /
- 外加电位
Abstract: Using slow strain rate tension (SSRT) experiment, electrochemical polarization and SEM observation, the influence of applied cathodic polarization potential on stress corrosion cracking (SCC) behavior of X80 pipeline steel is analyzed in a simulated near-neutral pH soil environment of NS₄ solution. The results show that the SCC sensitivity of X80 pipeline steel is higher in near-neutral pH soil environments, and the cracking model is transgranular SCC. SCC mechanism changes with different applied cathodic polarization potential - when the applied cathodic polarization potential is higher than ﹣900 mV, SCC is controlled jointly by anodic dissolution and hydrogen embrittlement, and when the applied cathodic polarization potential is under ﹣900 mV, SCC is controlled by hydrogen embrittlement. With the increase of negative applied potential, section shrinkage, elongation, and fracture time of slow tension specimen are reduced, and the SCC sensitivity increases, so it is necessary to avoid over-protection in actual pipeline cathodic protection.
- X80 pipeline steel /
- near-neutrality pH soil environments /
- stress corrosion cracking (SCC) /
- applied potential

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一. 前言

管道投产前的强度试压是保证管道运行安全、可靠性的重要手段。由于各国对管道强度试压的认识、技术水平不同, 因此对试压时采用的应力水平的规定、试压方式也有差异。现有的试压方式有两种: 一种是靠控制管道环向应力水平试压, 如我国规定试压应力为0.9倍管材最低屈服极限; 另一种是用管道中试压介质的压力容积图(P-V Plot)控制试压, 当图形出现非线性时停止加压。这两种方式各有其优缺点, 控制应力水平方式较为简单, 但面临的最大问题是在同一条管道中每根管子管材的屈服极限可能有差异, 试压应力水平很难确定。对某一批管材的统计表明, 管材的最大屈服极限与最小屈服极限相差1.27倍, 对这批管子简单地用同一应力水平试压极有可能造成某管材过分屈服而某些管材试压不足。用压力容积图控制试压是国外在50年代开始采用的, 它只控制试压过程中压力容积图的线性关系, 避免了试压应力难于确定的问题, 其实际试压应力水平约为管材屈服极限的0.93~0.95倍。目前国内外的研究均倾向于用较高的试压应力试压, 并用压力容积图控制。如何在国内采用这种试压方式, 必须进行具体研究。

二. 试压中管道应力、应变、容积之间的关系及控制参量

多项研究和统计表明: 在管道试压时, 试压应力越高, 可以排除的管道缺陷越多, 管道的安全、可靠性越高。国外在50年代就有将管道试压至屈服的观点。较为理想的试压应力水平为管材屈服限σ_s, 而又不超过该值。

在用压力容积图控制试压时, 可以控制的参量有压力(应力)、容积及压力容积曲线的割线斜率。前面已经提及, 试压时控制压力很困难, 尤其在采用高应力试压时还不安全, 实际可控制的参量只有容积和压力容积曲线的割线斜率。

常用管材的单向拉伸曲线均没有明显的弹、塑性分界点。这样材料的屈服点是用拉伸曲线中对应残余变形为0.2%时的应力σ_0.2定义的。试压时的压力容积图与材料拉伸图很相似。在压力容积曲线一出现非线性时就停止加载, 此时的管道实际应力并未达到σ_s(σ_0.2)。要想采用更高的试压应力, 应该用管道容积或压力容积曲线的斜率控制试压。

当试压应力较小时, 管道处于纯弹性状态, 环向应力为。由管道轴向应变ε_x=0的约束条件得:

(1)

(2)

式中 E——管材的弹性模量;

υ——管材的泊松比。

各应力方向见图 1。

图 1 管材的应力

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由常用管材T/S52 K、X60、X65的拉伸曲线可以发现, 只要控制材料变形不太大, 可以将拉伸曲线近似看成两段直线, 斜率分别为E和E₁, 见图 2。

图 2 管材应力的应变关系

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设σ₀为两段直线交点处的应力, 塑性段AB各点的管道应变为:

(3)

式中

管道截面变形为:

(4)

试压过程中管道容积变化为:

(5)

式中

L——管道试压段长度。

进入非线性状态后, 管道应变ε_y与残余应变ε_y^*之间存在如下关系:

(6)

(7)

由式(5)、(7)可知, 无论是线性状态还是非线性状态, 管道试压过程中的容积变化总是与管道环向应变成正比的, 控制容积实际上是控制管道的环向应变, 同时也控制管道环向残余应变。

管道处于纯弹性阶段及弹塑性阶段的压力容积曲线的割线斜率为:

(8)

(9)

两者的相对偏离量为:

(10)

由表 1可见, 用压力容积图控制试压, 如两者关系为纯线性时, 管道实际应力并不大, 当然这与材料的性质有关。当允许管道有0.1%的残余应变时, 管道应力接近于σ_0.2, 此时压力容积曲线的割线斜率偏离线性直线30%左右。而当允许管道的残余应变为0.2%时, 管道应力等于管材屈服限σ_0.2, 此时压力容积曲线的割线斜率偏离50%左右, 而0.2%的残余应变对管道的正常运行并无影响。由此可见, 用压力容积图控制试压不必控制其纯线性, 可以继续加载。不过, 应强调的是, 此时必须采用容积控制或压力容积曲线的割线斜率控制, 而不能用压力控制, 以防止因过载对管道造成的意外损伤。表 1为对三种管材试压时相应不同残余应变的应力、容积及压力容积曲线割线斜率偏离量。

表 1 相应不同残余应变的应力、容积及压力容积曲线斜率偏离量

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三. 试压管段的自然高差及试压时的容积控制

我国现行规范规定试压管段的自然高差不得超过30m。对于处于大高差地域的西部管道来说, 这个规定在施工中是很难实施的, 必须采用其它方式或可加大自然高差限来解决。

前面已经提出, 管道试压应力最高以σ_s, 为宜, 最低也应大于0.9 σ_s。根据这两者之差即可确定分段试压管段的自然高差, 见图 3。

图 3 确定分段试压管段的自然高差

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设具有高差为H的管段, 其低点应力为σ_0.2, 高点应力为0.9σ_0.2, 两点压差。设试压介质密度为γ, 则有:

(11)

设管道截面尺寸为610×10mm, 用水试压。已知T/S52K.X60、X65三种管材管段的许可自然高差分别为128.5 m.142.6 m和201.6 m, 是目前规范规定值的4.3、4.8和6.7倍。对西部具有高差的管道试压, 可以采用增加试压管段长度的办法, 以减少施工工作量, 并能保证试压效果。

对于这种具有高差的管道, 如采用容积控制试压, 其最大容积应分为两段计算。设图 3中A点的环向应力为0.9 σ_s, B点为σ₀, C点为σ_0.2, 则该段管道最大允许容积为:

(12)

通过以上分析, 可得如下结论, 用压力容积图控制试压不必控制其纯线性, 按式(7)和式(9)计算管道容积和压力容积图的割线斜率, 管段的自然高差可以在目前规范规定值的基础上加大, 按式(11)计算确定, 试压管段容积由式(12)计算确定。

图 1 SSRT试样尺寸示意图（mm）

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图 2 X80直缝埋弧焊管显微组织图像

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图 3 X80母材和焊接接头极化曲线

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图 4 X80母材和焊接接头试样在不同外加电位下的SSRT曲线

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图 5 X80母材试样断裂后的宏观形貌

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图 6 X80焊接接头试样断裂后的宏观形貌

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图 7 X80母材试样拉伸断口SEM照片

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图 8 X80焊接接头试样拉伸断口SEM照片

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表 1 试验用X80焊管化学成分的质量分数

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表 2 试验溶液组分含量

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表 3 不同阴极极化电位下X80母材和焊接接头拉伸性能统计结果

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参考文献(13)

[1]	WENK R L. Field investigation of stress corrosion cracking//Fifth Symposium on Line Pipe Research[C]. Falls Church: Pipeline Research Council International, 1974: No. L30174e.
[2]	BEAVERS John A. On the mechanism of stress corrosion cracking of natural gas pipeline//Eighth Symposium on Line Pipe Research[C]. Falls Church: Pipeline Research Council International, 1993: No. 51680e.
[3]	National Energy Board. Stress corrosion cracking on Canadian oil and gas pipelines, Report of the inquiry MH-2-95[R]. Calgary: National Energy Board, 1996.
[4]	PARKINS R N. Environment sensitive cracking of high-pressure pipelines in contact with carbon dioxide-containing solution, AGA NG-18 report 205[R]. Washington DC: American Gas Association, 1992.
[5]	Canadian Energy Pipeline Association. Submission to the national energy board, Proceeding MH-2-95 Vol. 2 Appendix D: 8-9[Z]. Calgary: Canadian Energy Pipeline Association, 1996.
[6]	PARKINS R N. Overview of intergranular stress corrosion cracking research activities, AGA PRCI Repoet PR-232-9401 [R]. Washington D C: American Gas Association, 1994.
[7]	郭浩, 李光福, 蔡珣, 等. X70管线钢在不同温度近中性pH溶液中的应力腐蚀破裂行为[J]. 金属学报, 2004, 40(3): 967-971. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSXB200409012.htm
[8]	GU B, YU W Z, LUO J L, et al. Transgranular stress corrosion cracking of X-80 and X-52 pipe line steels in dilute aqueous solution with near-neutral pH[J]. Corrosion, 1999, 55(3): 312-319. doi: 10.5006/1.3283993
[9]	方丙炎, 王俭秋, 朱自勇. 埋地管道在近中性pH和高pH环境中的应力腐蚀开裂[J]. 金属学报, 2001, 37(5): 453-458. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSXB200105001.htm
[10]	陈旭, 吴明, 何川, 等. 外加电位对X80钢及其焊缝在库尔勒土壤模拟溶液中SCC行为的影响[J]. 金属学报, 2010, 46(8): 951-958.
[11]	刘智勇, 王长朋, 杜翠薇, 等. 外加电位对X80管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中应力腐蚀行为影响[J]. 金属学报, 2011, 47(11): 1434-1439. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSXB201111013.htm
[12]	王炳英, 霍立兴, 王东坡, 等. X80管线钢在近中性pH溶液中的应力腐蚀开裂[J]. 天津大学学报, 2007, 40(6): 757-760. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDX200706027.htm
[13]	郏义征, 李辉, 胡楠楠, 等. 外加阴极电位对X100管线钢近中性pH值应力腐蚀开裂行为的影响[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2013, 45(4): 186-191. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SCLH201304031.htm

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一. 前言
二. 试压中管道应力、应变、容积之间的关系及控制参量
三. 试压管段的自然高差及试压时的容积控制

外加电位对X80管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂行为的影响

作者简介: 赵新伟，教授级高工，1969年生，2004年博士毕业于西安交通大学材料科学与工程专业，现主要从事油气输送管和管道完整性技术的研究工作

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