管道的应力腐蚀断裂(正式版)

文件编号：TP-AR-L7111

In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives.

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管道的应力腐蚀断裂(正

式版)

管道的应力腐蚀断裂(正式版)

使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。

四川省的天然气管线由于介质未处理好，在被输

送的天然气中H2S大大超过规定的含量，曾发生多次

爆破事故。

据国外文献介绍，美国1955年第一次发生由于

氢脆而产生的氢应力破坏，六十年代出现了其他形式

的应力腐蚀断裂，以后随着时间的延续，这类破坏事

故越来越多，而应力腐蚀断裂也越来越多地为管道工

作者所关注，并成为研究的课题。

应力腐蚀断裂简称为SCC，这系由英文名词

Stress Corrosion CracKing而来的，其定义为：在

应力和介质联合作用下，裂纹的形成和扩展的过程叫

做应力腐蚀，由于应力腐蚀而产生的断裂称为应力腐蚀断裂。

当原始缺陷的长度2a小时临界裂纹长度2ac 时，管线是不会断裂的，但由于疲劳或(和)环境的作用，裂纹长度可以增长，当原始缺陷长度逐渐增长，最后达到2ac时，则管道产生断裂。这里只将讨论后者，即在环境和应力相互作用下引起的应力腐蚀断裂。

一、应力腐蚀的机理

为说明应力腐蚀需先简单的介绍腐蚀反应。大家知道，钢铁放在潮湿的空气中，就会生锈，锈不断脱落，就会导致截面减小和重量减轻，这称为钢铁受到了腐蚀。腐蚀是一种电化学过程，它又可分为阳极过

程和阴极过程，这二者是共存的。

金属原子是由带正电的金属离子，对钢来说，就是二价的铁离子F2+

和周围带负电的电子云(用e-

来表示）构成的，如下所示：

Fe→Fe2+

+2e-

上式是一个可逆反应。当铁遇到水，铁离子

Fe2+

和水化合的倾向比Fe2+

与e-

结合成金属的倾向还要强，因此金属铁遇到水后就会发生如下反应：

上式放出电子e-

，故称为阳极反应。

阳极反应所放出的电子必须通过阴极过程(即吸收电子的过程)被取走，式的反应才能继续存在，否则该式将是可逆的。

一种常见吸收电子的阴极过程是吸氧过程，见下式：

O2+2H2O+4e-

→4OH-

氢氧根OH-和铁离子Fe2+

结合，就会产生铁锈，即Fe2O₃

2Fe2+

+60H-

→Fe2O3·3H2O

综合阳极过程和阴极过程，即联合上两式，可写出下式：

4Fe+nH2O+3O2→2Fe2O3·nH2O

由上式可以看出，钢管生锈的条件为第一要接触水(或潮湿的空气)，第二要接触空气，以提供O2前者是阳极过程，后者是阴极过程。

实验表明，和腐蚀介质相接触的阳极金属介面上会形成一层致密的复层，即纯化膜，它能阻碍阳极金属进一步溶解。但金属构件，如钢管受到一定大小的拉伸应力作用时，由于应力集中，在裂纹尖端附近存

在很高的拉伸应力场，它能阻碍裂纹尖端表面形成纯化膜，从而把新鲜的金属暴露在腐蚀介质面前，并造成裂纹的扩展，这就是应力腐蚀。

如果作用在构件上的是压应力或是拉应力，但数值很小时，这就无法使裂纹尖端的纯化膜膜破裂，因此裂纹也就不会扩展，故应力腐蚀除腐蚀所需要的条件之外，还得存在一定大小的拉伸应力。

正由于阳极溶解过程中除裂纹尖端表面外，其余部分全被纯化覆盖，故应力腐蚀时，仅是裂纹尖端向前扩展。

应力腐蚀中一个重要的分枝，即氢应力腐蚀，简写为HSC，系由英文Hydrogen Stress CracKing而来。

吸收电子的阴极过程除了吸氧反应外，还有放氢过程，如：

在阴极形成的氢原子[H]有两条去路，一是原子氢结合成分子氢，并放出来：

[H]+[H]→H2↑

另一条去路是氢原子通过扩散进入金属内部，进入金属内部的[H]使金属原子的结合力下降，基体脆化，这种以阴极放氢导致的破坏称为氢脆。

氢的来源除上述的阴极放氢反应外，对于管道来说，主要来自输送介质，如H2S气体。

近若干年来的研究表明，对管道的阴极保护也会在金属的外表面产生[H]。

氢应力腐蚀象其他应力腐蚀一样，除有腐蚀性介

质外，还有另一重要条件，即必须受到一定大小的拉应力。

二、KIscc及da／dt

KIscc为应力腐蚀临界强度因子。

由本书的第三章可知，当原始裂纹长度为2a，由于内压而引起的应力为σ时，在管线中裂纹尖端的应力强度因子为：

当KI＜Kc，不会起裂

当KI≥Kc，起裂

如果原始缺陷长度为a0，应力为σ1，求出的应

力强度因子为[KI]1，而[KI]1＜Kc，故不会产生断裂；若管线在腐触环境中工作，由于应力腐蚀作用，a值逐渐增加，随之(KI)1，也逐渐增长，最后当应力强度应子达到Kc时，而产生破裂，请参见图2-5-10。K1B1曲线(用虚线绘出)为随着时间的流逝，a值不断扩大，随之[KI]1也不断扩大的曲线，由a0增长至ac或由[KI]1，增长至Kc所需的时间为t1。

如原始缺陷长度仍为a0，但应力为σ0，且σ2＜σ1，故[KI]2＜[KI]1，在图2-5-10中[KI]2在

[KI]1 ，的下方，如在同一腐蚀环境下工作，由于应力下降，裂纹增长速度da／dt缓慢，a0达到ac的时间为t2，t2t1。

随着外加应力不断下降，KI也随之下降，由a0增长至ac所需要的时间也越长，当KI低于某一临界值称为应力腐蚀临界强度因子，用KIscc表示。