管道的应力腐蚀断裂参考文本
管道的应力腐蚀断裂参考
文本
In The Actual Work Production Management, In Order To Ensure The Smooth Progress Of The Process, And Consider The Relationship Between Each Link, The Specific Requirements Of Each
Link To Achieve Risk Control And Planning
某某管理中心
XX年XX月
管道的应力腐蚀断裂参考文本
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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Fe2O?
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。
图2—5—10 KI—t曲线
见图2—5—11，在A0的应力强度应子为Kc，此时对应的断裂时间t=0，[KI]1与B1的交点为C1，[KI]2与B2的交点为C2，以此类推，连接A0，C1、C2、…得出一条曲线(为图中的实线)，该曲线为KI与断裂时间的关系曲线，KIscc为该曲线的渐近线。
当应力腐蚀裂纹前端的KI＞KIscc时，裂纹就随时间而变大，单位时间内裂纹由于应力腐蚀而产生的扩展量称为