管道的应力腐蚀断裂

管道的应力腐蚀断裂

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StressCorrosionCracKing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HydrogenStressCracKing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