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管道的應(yīng)力腐蝕斷裂

  
評論: 更新日期:2015年03月12日


  (三)應(yīng)力狀態(tài)對σth的影響
  應(yīng)力的波動對σth有很大影響,見圖2—5—14。圖2—5—14為X52管材,在Ca2CO3濃度為4.8%,CaHCO3濃度為7.6%的水溶液中的情況,在靜荷載下,σth≈1.25(SMYS),但應(yīng)力波動時(shí),σth有所降低,波動幅度為±1.5%,由此看出,波動的頻率越低,σth降低值也越大。如果波動頻率為每三天一個(gè)循環(huán),應(yīng)力變化幅度為±1.5%~±5%,這時(shí)σth值只有靜荷載時(shí)%值的60%。
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圖2—5—13電化學(xué)電位對σth的影響
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圖2—5—14應(yīng)力波動對σth的影響

  (四)人工時(shí)效對σth的影響
  鋼材使之產(chǎn)生永久變形以后,再加熱至某一溫度,并維持一定時(shí)間的這一過程稱為人工時(shí)效。鋼管在制造過程中先壓成U形,再進(jìn)一步壓成O形,焊接后,再經(jīng)過漲管整形,在整個(gè)制造過程中鋼材經(jīng)歷了永久變形。對于螺旋鋼管,在制造過程和滾卷過程中,亦產(chǎn)生永久變形。
  鋼管在加設(shè)外涂層或(和)操作過程中,有可能需要加熱,這樣就形成了人工時(shí)效。
  見圖2—5—12,該圖為X52鋼管,在14℃下維持一小時(shí),形成了人工時(shí)效,實(shí)踐為經(jīng)歷了人工時(shí)效的情況,虛線為未經(jīng)人工時(shí)效的情況(雖有永久變形,但未加熱),由圖看出,在2%永久變形時(shí),σth值最低。
  除以上因素外,還有一些其他因素也影響σth值,如鋼材在熱軋過程中,表面脫炭可使σth有所下降,管材表面徑噴丸處理后,又使σth有所上升。總之,影響σth的因素是很多的,為了準(zhǔn)確事先估計(jì)σth值也是十分困難的。
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圖2—5—15時(shí)效的影響


  三、氫應(yīng)力腐蝕(氫脆)

  1955年就曾經(jīng)發(fā)生過由于氫應(yīng)力腐蝕(簡稱HSC)而產(chǎn)生管道斷裂的事故,此后曾經(jīng)進(jìn)行過大量的研究工作,但至今仍有許多理論問題未曾搞清楚,而且研究工作者在這一領(lǐng)域內(nèi)的許多認(rèn)識還是互相矛盾的。但是,以下幾點(diǎn)是大家共同肯定的:
  (1)鋼材的強(qiáng)度極限高于某一數(shù)值時(shí),才可能產(chǎn)生HSC現(xiàn)象,通常這一數(shù)值被認(rèn)為是7000~7700kg/cm2(100~110×103lb/in2);
  (2)鋼材必須承受拉應(yīng)力,且該拉應(yīng)力必須高于某一確定的臨界值時(shí)(該臨界值與鋼材的強(qiáng)度等級有關(guān))才可能產(chǎn)生HSC;
  (3)原子氫必須溶解于鋼材中,且必須達(dá)到一定的濃度時(shí),才能產(chǎn)生HSC。
  換句話說,只有同時(shí)滿足以上三個(gè)條件,才有可能產(chǎn)生HSC。
  有時(shí)人們常把HSC與其他的SCC現(xiàn)象相同混淆。HSC與其它SCC相比,有以下特點(diǎn):
  (1)由HSC產(chǎn)生的破裂面上無沉積物,一般呈白色,而其它SCC的破裂面上有明顯的黑色沉積物,其成分常為Fe3O4和PeCO3
  (2)從外表看,HSC裂紋擴(kuò)展比較平滑,而其它SCC裂紋擴(kuò)展呈鋸齒形;
  (3)HSC裂紋一般無分枝,而其它SCC為多分枝的;
  (4)HSC裂源處的金屬金相組織為馬氏體,而其它SCC裂源處的金相組織多為鐵素體和珠光體;
  (5)HSC所產(chǎn)生的斷裂一般為脆性斷裂,且多為穿晶破壞,其它SCC斷裂則不一定。
  (一)產(chǎn)生HSC所需要的最低拉應(yīng)力
  見圖2—5—16,圖的縱坐標(biāo)為作用的應(yīng)力,橫坐標(biāo)為破壞所需的時(shí)間。由圖看出,作用的應(yīng)力越小,則破壞所需的時(shí)間越長,當(dāng)應(yīng)力降低至某一確定數(shù)值時(shí),破壞時(shí)間可無限延長,即破壞不可能發(fā)生,這一應(yīng)力值稱為HSC的應(yīng)力的臨界值或門檻值。當(dāng)輸送介質(zhì)中含H原子的濃度甚高,并無法降低時(shí),則通常須把操作應(yīng)力降低至門檻值以下。
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圖2—5—16 HSC破壞時(shí)向與作用應(yīng)力的關(guān)系

  HSC的應(yīng)力門檻值與材料的強(qiáng)度極限有明顯的關(guān)系,材料的強(qiáng)度極限越高,HSC的應(yīng)力門檻值越低,請參見圖2—5—17。
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圖2—5—17 HSC應(yīng)力門檻值與材料強(qiáng)度極限的關(guān)系

  (二)硬點(diǎn)(hard spot)造成的破壞
  硬點(diǎn)是在鋼板滾軋過程中形成的,調(diào)查表明硬點(diǎn)處的強(qiáng)度極限可高達(dá)12000kg/cm2如前所述HSC的門檻值與材料的強(qiáng)度極限有關(guān),強(qiáng)度極限越高,門檻值越低,故硬點(diǎn)常常成為HSC的裂源,為了消除硬點(diǎn),有些管材軋制后,要進(jìn)行回火處理。
  (三)氫原子的來源
  對于管道來說,氫原子主要有兩個(gè)來源:
  (1)在輸送介質(zhì)中含有H2S的成分;
  (2)近年來的調(diào)查表明,陰極保護(hù)可能在金屬的外表面產(chǎn)生氫原子。
  所以天然氣進(jìn)入管線以前必須進(jìn)行處理,使之達(dá)到鋼管允許的范圍之內(nèi)。國外有些輸氣公司對進(jìn)入輸氣干線的天然氣進(jìn)行24小時(shí)的監(jiān)控,當(dāng)有害物質(zhì)超限時(shí)發(fā)出警告,必要時(shí)關(guān)斷氣源。

  四、溫度對SCC的影響

  大量的研究表明,溫度可使裂紋的增長速率da/dt增加,見圖2—5—18。由圖看出,隨著溫度的增加,da/dt迅速增加。
  R.R.Fessler還給出了以下公式:
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G=A exp(-Q/RT′)

式中:C——裂紋的增長率;
   A——與環(huán)境條件及鋼材有關(guān)的常數(shù),但與溫度無關(guān);

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