管道的应力腐蚀断裂.docx
应力腐蚀断裂精编版
应力腐蚀断裂精编版 MQS system office room 【MQS16H-TTMS2A-MQSS8Q8-MQSH16898】应力腐蚀断裂一．概述应力腐蚀是材料、或在静(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。
它常出现于用钢、黄铜、高强度铝合金和中，凝汽器管、矿山用钢索、飞机紧急刹车用高压气瓶内壁等所产生的应力腐蚀也很显着。
常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。
由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。
加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。
这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。
应力腐蚀过程试验研究表明：当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。
一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。
应力腐蚀的机理仍处于进一步研究中。
为防止零件的应力腐蚀，首先应合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。
其次应合理设计零件和构件，减少。
改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。
采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。
此外，采用阴极保护法见也可减小或停止应力腐蚀。
本篇文章将重点介绍应力腐蚀断裂失效机理与案例研究，并分析比较应力腐蚀断裂其他环境作用条件下发生失效的特征。
，由于应力腐蚀的测试方法与本文中重点分析之处结合联系不大，故不再本文中加以介绍。
二．应力腐蚀开裂特征（1）引起应力腐蚀开裂的往往是拉应力。
这种拉应力的来源可以是：1．工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗应力。
2．加工，制造，热处理引起的内应力。
3．装配，安装形成的内应力。
4．温差引起的热应力。
管材失效风险因素分析(标准版)
( 安全管理 )单位：_________________________姓名：_________________________日期：_________________________精品文档 / Word文档 / 文字可改管材失效风险因素分析(标准版)Safety management is an important part of production management. Safety and production are inthe implementation process管材失效风险因素分析(标准版)天然气管道输送压力高、钢材等级高、管径大，如我国正在建设的西气东输二线，其输送压力达到了12MPa，管径达到了1219mm，所采用的钢材等级为X80。
管道一般以埋地敷设方式。
所以引发天然气管道事故的主要危险、有害因素表现为：管道应力腐蚀开裂、腐蚀穿孔、管材缺陷或焊口缺陷等。
一、应力腐蚀开裂较高的压力使管道面临应力开裂危险。
应力开裂是金属管道在固定拉应力和特定介质的共同作用下引起的，对管道具有很大的破坏性。
管道应力腐蚀开裂的特征见表2-6。
表2-6管道应力腐蚀破坏特征因素特征发生地区与特定的地面条件有关。
65%发生在压气站和下游第一阀室之间，12%发生在第一和第二阀室之间，5%发生在第二和第三阀室之间，3%发生在第三阀室下游与温度关系较冷气候带明显多发。
与管道温度既明显关系与电解质关系中性pH值的稀碳酸盐溶液，其值在5.5～7.5之间电化学电势腐蚀电势，阴极保护不能达到的地点裂纹的路径和形状穿透颗粒(横过钢颗粒)，宽裂纹带边壁有明显腐蚀环境因素、材料因素、拉应力，其单方面或三方面都能引发管道的物理应力开裂。
1.环境因素环境温度、湿度、土壤类型、地形、土壤电导率、C02及水含量等对应力腐蚀将造成峥定的影响。
黏结性差的防腐层以及防腐层剥离区，易产生应力腐蚀破裂。
2.材料因素应力腐蚀开裂与管材制造方法(如焊接方法)、管材种类及成分、管材杂质禽虽(大于200～250μm的非金属杂质的存在会加速裂纹的形成)、钢材强度及钢材塑性变形特点有关。
应力腐蚀断裂
1）应力—— 力学因素
必须有应力，才会导致材料的形变和断裂。
应力来源：
外加载荷 残余应力 腐蚀产物
可以代数叠加，净应力便是应 力腐蚀断裂过程的推动力。
以Ⅰ型裂纹为例，载荷对裂纹有如下三方 面作用：
① 拉开裂纹，当裂纹壁 处于钝态时，裂纹尖 端表面清洁而新鲜。
实验原理
在实验过程中保证试件固定变形 通过比较试件应力腐蚀破裂时间定性确
定材料抗应力腐蚀性能的好坏
根据中点挠度值确定加载
P
名义弯曲应力：
t
Y L
S
=
6 Et l2
Y
注意：
由于推导所用皆为材料力学公式，而试件都产生 了塑性变形，因此实验结果不是真实应力，而是 名义应力。
试件形式
70mm×6mm × 2mm的扁平薄试件 受力最大部位有两个直径0.8mm应力提升
发生应力腐蚀破裂的条件
1）特定的腐蚀介质
在一定的材料—介质的组合条件下发生应力腐蚀断裂； 若无应力作用，金属在介质中腐蚀速度微小。
2）一定的拉应力
拉应力是发生应力腐蚀开裂的必要条件。 应力越大，发生开裂的时间越短。 而小于某一应力值就不会发生开裂，此应力值是应力腐蚀
的门槛值。
恒负荷实验法——描述膜应力状态； 三点弯曲实验法——描述弯曲及应力集中等
状态； 慢拉伸实验法——加速实验方法；
断裂力学实验法——描述有缺陷的状态。
材料应力腐蚀性能的评价（H2S介质） 1）恒载拉伸试验
材料在膜应力状态下的 应力腐蚀特性
试件形式 标准5拉伸试样
1）恒载拉伸试验
试验方法
H2S溶解度 大的温度。
1-5应力腐蚀开裂
1-5 应力腐蚀开裂概述因介质对材料的腐蚀而造成的结构破裂称腐蚀破裂。
金属材料的腐蚀有多种，按腐蚀机理可分为：化学腐蚀和电化学腐蚀；按腐蚀介质可分为：氧腐蚀、硫腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀等；按腐蚀部位和破坏现象，可分为：均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等。
金属材料在特定腐蚀环境下，受拉应力共同作用时所产生的延迟开裂现象，称为“应力腐蚀开裂”。
应力腐蚀开裂属于环境敏感断裂范畴。
并非任何环境都会产生应力腐蚀开裂，应力腐蚀是特殊的腐蚀现象和腐蚀过程，一定的金属材料只在某一特定的腐蚀环境中才会产生应力腐蚀开裂。
有拉伸应力存在，是应力腐蚀开裂的先决条件，焊接剩余拉应力有着极为重要的影响！在锅炉压力容器部件的腐蚀中，应力腐蚀及其造成的破裂是最常见、危害最大的一种！已成为工业（特别是石油化工）中越来越突出的问题（参见：化工设备损伤事例统计表），石油化工焊接结构的破坏事故中，约有半数为应力腐蚀开裂。
化工设备（低于300ºC）损伤事例统计表①包括腐蚀疲劳开裂，一般约占8% 。
因此，必须从结构设计及施工制造方面考虑洚低剩余拉应力，以提高结构的抗应力腐蚀开裂性能。
当然，还应从生产管理方面考虑降低介质的腐蚀作用。
本节主要是了解应力腐蚀开裂的特征，以防止、控制应力腐蚀开裂。
一. 应力腐蚀开裂特征：1. 应力腐蚀开裂条件：（1）合金----纯金属不发生应力腐蚀，但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中都会产生应力腐蚀裂纹。
极少量的合金或杂质都会使材料产生应力腐蚀。
各种工程实用材料几乎都有应力腐蚀敏感性。
（2）拉应力-----引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且应力可大可小，极低的应力水平也可能导致应力腐蚀破坏（不管拉应力多么小，只要能引起变形滑移，即可促使产生应力腐蚀开裂）。
应力既可由载荷引起，也可是焊接、装配或热处理引起的残余应力。
（3）腐蚀性介质----产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系，即当二者是某种特定组合时才会发生应力腐蚀。
第五章-应力腐蚀开裂
第5章 应力腐蚀开裂
5.1 应力腐蚀开裂概述
5.1.2 应力腐蚀的环境因素
2） 温度的影响
一般来说，环境温度越高，开裂越 快，有的应力腐蚀体系存在一个临界开 裂温度。
316L不锈钢在1%NaOH溶液中慢应变 速率试验时，当温度由200℃提高到 280℃ ，试样的延伸率、断裂时间和最 大断裂应力均明显下降。
短则几天，长则数年。
第5章 应力腐蚀开裂
5.1 应力腐蚀开裂概述
5.1.4 应力腐蚀开裂的过程
2）应力腐蚀失效过程
裂纹从腐蚀坑萌生后，在应力和阳极溶 解的共同作用下进行亚稳定扩展。
裂纹的扩展方向总体是与外加拉应力垂 直，但存在很多的分叉现象，即多裂纹扩展，
黄铜季裂后，裂纹是沿晶扩展，在主裂纹的 侧面形成一些侧裂。
（4）拉应力能引起应力腐蚀，压应力较小时会阻止或延缓应力腐蚀。但压 应力过大时，也会引起应力腐蚀。 （5）有些体系存在一临界开裂应力σth，临界应力强度因子KISCC或临界应
变率范围c。当σ >σth、 KI>KISCC或 < c 时，体系发生应力腐蚀开裂。
（6）发生应力腐蚀的材料主要是合金，纯金属极少发生。
温度对316不锈钢应力腐蚀的影响
第5章 应力腐蚀开裂
5.1 应力腐蚀开裂概述
5.1.2 应力腐蚀的环境因素
3）介质成分和浓度
对应腐蚀开裂起特定作用的“特性介质”浓度，往往在适当范围内时， 发生应力腐蚀可能性较大，开裂时间较短。
浓度很低时，往往开裂时间很长，有时甚至不开裂。但浓度影响究竟如 何，需视具体的“合金-环境”组合体系而言。
1967年12月，美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒 塌，死46人。事故调查的结果就是因为应力＋大气中微量H2S导致钢梁产生 应力腐蚀所致。
应力腐蚀断裂
应力腐蚀断裂一．概述应力腐蚀是材料、或在静(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。
它常出现于用钢、黄铜、高强度铝合金和中，凝汽器管、矿山用钢索、飞机紧急刹车用高压气瓶内壁等所产生的应力腐蚀也很显着。
常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。
由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。
加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。
这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。
应力腐蚀过程试验研究表明：当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。
一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。
应力腐蚀的机理仍处于进一步研究中。
为防止零件的应力腐蚀，首先应合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。
其次应合理设计零件和构件，减少。
改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。
采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。
此外，采用阴极保护法见也可减小或停止应力腐蚀。
本篇文章将重点介绍应力腐蚀断裂失效机理与案例研究，并分析比较应力腐蚀断裂其他环境作用条件下发生失效的特征。
，由于应力腐蚀的测试方法与本文中重点分析之处结合联系不大，故不再本文中加以介绍。
二．应力腐蚀开裂特征（1）引起应力腐蚀开裂的往往是拉应力。
这种拉应力的来源可以是：1．工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗应力。
2．加工，制造，热处理引起的内应力。
3．装配，安装形成的内应力。
4．温差引起的热应力。
5．裂纹内因腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用也能产生裂纹扩展所需要的应力。
（2）每种合金的应力腐蚀开裂只对某些特殊介质敏感。
应力腐蚀断裂
裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系——三阶段：
lg da dt
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
K1SCC
K1C K1
图2 裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系
试验原理
疲劳裂纹扩展速率da/dN表达式
② 当整体金属仍是弹性 变形状态时，裂纹尖 端的前沿为塑性区。
③ 裂纹尖端前具有三向 拉伸应力区，氢可在 此处富集。
裂纹尖端易于继续阳 极溶解，裂纹壁上阴 极反应析出的氢易于 进入金属。
位错与氢结合；运动 的位错快速输送氢。
指出富集部位，三向 拉伸区较疏松，富集 氢可降低应变能。
硫化物应力（SSC）腐蚀
K1
=
P
C3
(a W
B a
)
3）硫化氢环境门限应力强度因子KISCC的测定
材料在硫化氢环境下的 抗断裂特性
实验方法 用螺栓对试样加载P0 ，
用引伸计测量加载过程 中试样裂纹开口位移， 记录中止时位移量V0
试件放入H2S溶液中，经过一定 时间，试件裂纹扩展 ，螺栓力
松弛，载荷下降， 则KI下降，
三向受拉处，物质最稀松，有空穴产生，氢集中 在空穴中。
焊接时，氢离子结合呈氢原子或氢分子，形 成107的大气压。高的压力使钢材表面出现 氢鼓包，内部产生裂纹。
要求焊接时焊条要烘干，不得受潮。
3.硫化物应力腐蚀性能试验方法
美国腐蚀工程协会NACE TM0177—2005规定了四种标准 方法：
W - a 2.5( Ke )2 0.2
K1SCC/s>0.3，视为合格
埋地钢质管道应力腐蚀开裂及其预防(正式)
编订：__________________单位：__________________时间：__________________埋地钢质管道应力腐蚀开裂及其预防(正式) Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level.Word格式 / 完整 / 可编辑文件编号：KG-AO-4667-45 埋地钢质管道应力腐蚀开裂及其预防(正式)使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体、周密的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。
下载后就可自由编辑。
摘要：阐述了埋地钢质管道应力腐蚀开裂的影响因素和类型，总结了国内外典型的管道应力腐蚀开裂事故和研究状况，提出了预防措施。
关键词：应力腐蚀开裂；埋地钢质管道；腐蚀环境；应力Stress Corrosion Cracking of Buried Steel Pipelineand Its PreventionCHE Li-xin，DUAN Chang-gui(Haerbin Institute of Technology，Haerbin 150090，China)Abstract：The influencing factors and types of stress corrosion cracking(SCC)of buriedsteel pipeline are described，the domestic and foreign typical accidents and the research status of SCC on pipeline are summarized，and the precaution measures are put forward．Key words：stress corrosion cracking；buried steel pipeline；corrosion environment；stress1 概述目前，我国现有油气长输管道超过3×10的4次方(原多次方位置应该标在右上位置，但word格式不支持)km，其中60％已进入事故多发期。
不锈钢管道的应力腐蚀开裂及对策
条 选 川 ｒ 的钢 材 Ｉ 果』 丁 样 府 ｆ 措 施 ． 料 较 虾 ｎ 奎 １ ｌ ｌ ： ｊ 取 ０盘果。 关 键 词 ：１锈 钢 箭 遁 ． ｆ 、 府 橱蚀 ： 材 选 中 图 分 类 号 ： Ｅ１ ￣ Ｔ ｝ ， ８ 文 献标 识码 ：Ｈ 文章 编 号 ：１０ ４ Ｘ（０ ２ Ｉ ：７ ３ ０ ５ ７８ ２０ ｌ １ ６＇ Ｉ ８ ２， ３
钢 板 卷 制经 埋 弧 自动 焊 而 成 ， 子 焊 后 经 过 ９ ０ 管 ２ ℃ 消 除应 力热 处 理 及 ８ ０ ９ ０ 稳 定 化 处 理 对 照 ０ ～ ０℃ ＪＳ标 准 ， 发 生 应 力 腐 蚀 的 管 道 母 材 和 焊 缝 取 样 Ｉ 对 进 行 分 析 ， 果 表 明 材 料 的 化 学 成 分 是 符 合 标 准 要 结
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摘
要 ： 引 ｉ ｛ ｌ ｒ
锈钢管地 的开裂， ｆ 嘲ｊ析 ． Ｉ 进 ｉ ， － 勾应 力 腐 蚀 干 选 材 不 、是 丰要 原 因 撤 据 Ｔ ＾ 『 Ｊ 况
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管道的腐蚀与防护方法.doc
管道的腐蚀与防护方法一、碱线腐蚀与防护1．概况大庆石化总厂炼油厂输转车间81单元碱管道用于向生产装置提供浓度30%～40%的碱液，管道材质为碳钢，连接采用焊接方式，工作压力为0.6～0.7Mpa,工作方式为间歇式。
冬季操作时需用0.3Mpa压力的蒸气伴热，由于碱液温度高，造成管道焊口开裂，碱液经常泄漏，生产很被动。
同时泄漏出的碱液腐蚀其它管道，每年维修费用很大，这种现象94年前一直没有得到解决。
2．腐蚀原因分析普通碳钢在碱液中会形成一层以Fe３O４或Fe２O３为主要成分的表面膜，同时由于晶界上有碳化物和氮化物析出，使晶界上的表面膜不稳定，易溶解。
在外应力的作用下产生了晶界裂纹，使新暴露出来的铁产生FeO2－的选择性溶解，形成应力腐蚀。
碳钢在NaOH溶液浓度5%以上的全部浓度范围都可能产生碱脆，而以30%左右的浓度最危险，发生碱脆的最低温度为50℃，在沸点附近的高温区最易发生。
见图一。
管道使用过程中，夏季或管道不加热时，浓度在30～40%的碱液不发生碱脆；而在冬季，管道加热时，温度超过50℃，碱浓度仍为30～40%时则发生碱脆，因为实际碱管道在加热的情况下往往都高于50℃。
另外，碱性溶液只有在非常富集的情况下，才会通过如下反应溶解铁：3Fe+7NaOH→Na3FeO3·2Na2FeO2+7HNa3FeO3·2Na2·2Na2FeO2+4H2O→7NaOＨ+Fe3O4+H7H+H→4H23Fe+4H2O→Fe3O4+4H2该管道每10日左右送一次碱，容易在焊口处沉积碱液。
管道一般为单面焊，内壁常有未焊透处，存有间隙。
随时间延长，碱液浓缩，造成碱液在焊口处富集，使焊口处首先腐蚀，而且使焊道不存在金属钝化膜，常露出新鲜的金属表面。
根据电化学腐蚀原理，该处的金属表面常处于阳极处，处于腐蚀状态。
原管道的接头为焊接，焊口附近的金相组织比基体的金相组织晶粒大，加之焊接组织不均匀性及焊接后存在较多的缺陷，这样焊道与基体金属的表面机械性能及化学成分存在较大的差异。
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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F e2+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。