油气运输管道 图片来源：网络
材料中腐蚀环境和循环应力的相互作用造成应力腐蚀开裂。关于油气运输管道在高pH值和低pH值下的应力腐蚀失效案例已有大量报道。应力腐蚀开裂可以增加油气管道失效的概率，导致大约15%-20%管道失效，严重影响管道的使用寿命。
应力腐蚀开裂发生的机理各不相同，包括氢脆、吸收导致的开裂、原子表面移动、膜的破裂、应力加速溶解、膜造成的开裂、管道点蚀、破裂、局部表面塑性。但是低pH值腐蚀开裂一般存在于稀释的溶液中，如碳酸盐和碳酸氢盐，其pH值约为6；高pH值应力腐蚀开裂发生在pH约为9的溶液中，裂纹生长速度受温度影响。图1显示了受应力腐蚀开裂影响的管道产生了喷气燃料的泄漏。
图1
为了更好的收集油气，氯离子等化学物质在将水注入油气库的过程中进入管道。氯离子可以穿过油气造成不同形式的管道局部腐蚀，如点蚀。这些被腐蚀的区域变成应力腐蚀开裂区域，因为循环应力作用于管道中运输的液体，时不时地激发系统性的开裂。同时，管道中在六点钟方向由于受到扰流作用，造成局部点蚀，如图2所示，进而造成应力腐蚀开裂和管道泄漏。
图2
由于应力腐蚀开裂产生疲劳应力失效点，该点的氧化物随着距离的变化而发生变化，即从金属富集的地方移动到氧富集的地方（图3）。当然，由于操作压力产生循环应力载荷，管道越来越多地暴露在腐蚀性环境下，已有开裂在原有基础上扩张，新的开裂生成。Gamboa等人通过实验也发现：若向使用中的X65碳钢管施加循环压力，碳钢管将产生疲劳，永久应力腐蚀开裂将不断形成并扩展。循环载荷下疲劳导致应力腐蚀开裂扩张，如图4所示。
图3
图4
图5为氯化物应力腐蚀开裂产生的沿不锈钢晶界的穿晶断口和二次裂纹。
图5
一些研究者如Contreras等人还研究了应力腐蚀开裂对管道热影响区（HAZs）的影响。Contreras通过在H2S饱和环境中进行应变率测试，测量了X52和X70（焊接等级）管道对于应力腐蚀开裂的敏感性。他们得出的结论是：材料在腐蚀环境外界发生韧性失效，在腐蚀环境中发生脆性失效。这就证明了在腐蚀性环境中，材料的机械性能降低。作者进一步指出， X52焊接管的氢渗透值高于X70焊接管。这暗示了相较于X70管道，X52管道的热影响区对于腐蚀环境下的应力腐蚀开裂更为敏感。
在接近pH中性溶液里，X70焊管表面没有形成稳定的氧化物。Kentish还使用慢应变速率试验方法来测定X70级管道由于喷砂处理，其表面粗糙度对应力腐蚀开裂的影响。作者得出的结论是：粗糙度越高，失效时间越短，这表明材料的抗应力腐蚀开裂的能力正在减弱。这意味着即使如喷砂处理一类必不可少的制造技术，也会使管道表面附着涂层，同时增加应力腐蚀的潜在风险。管道应力腐蚀开裂的一些原因在表1中做出了总结。
表1 疲劳失效管道中导致应力腐蚀开裂的因素总结
| 原因 | 例子 | 评注 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 涂层剥离 | •254 mm X52天然气管道由于硫还原剂和应力腐蚀开裂而失效 •X60 和 X42天然气管道受电化学反应和管道剥离部位应力的两者结合作用而失效 |
原因是碳酸盐/碳酸氢盐与管道中碳钢材料反应 由于在剥离区域发生电化学反应，40年后发生X60失效，6个月后发生 X42失效 |
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| 2 | 制造缺陷 | •由于腐蚀原因，X46级喷砂天然气运输管道发生缺陷，产生孔洞 •管道表面的纵向调整，产生失误 •制造一个762 mm×457.2 mm对焊T形接头过程中产生失误 |
由于管壁厚度减薄、应力集中源生成导致管道在液压试验中失效 457.2mm管在使用了25年后失效 液压试验中发现失误 |
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| 3 | 电化学反应和流动加速腐蚀 | •电化学反应和腐蚀都能导致X52天然气运输管道失效 •腐蚀机制导致609.6mm天然气管道的破裂 •气流扰动导致X52天然气运输管道点蚀 |
27年后发生失效 泄露气体导致地下管道喷砂，大量研磨料使管壁厚度减薄后，管道破裂。 扰动导致底部沉积，最终导致局部腐蚀 |
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| 4 | 腐蚀性物质的侵入 | •X46管道吸收氢，导致材料氢致开裂 •用来为不锈钢管道绝热的毛织品引入氯元素，导致局部点蚀 |
H2S的作用加速X46级运输管道失效 在石油化工产业中，不锈钢管道为加氢裂化反应堆提供氢元素 |
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延伸阅读：
腐蚀环境下的管道失效——概况和腐蚀机理
作者：Chinedu I. Ossai，Brian Boswell，Ian J. Davies
译自：sciencedirect
来源：材料与测试
译者：Kate0609
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