鮮 寧， 榮 明， 姜 放， 施岱艷

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)管力學(xué)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川分室， 成都610041；2. 中國(guó)石油工程建設(shè)公司西南分公司， 成都610041）

0 前 言

管線鋼土壤環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （SCC）有兩種類型， 即沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （IGSCC）和穿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （TGSCC）， 這兩種開(kāi)裂也稱為高pH SCC 和近中性pH SCC， 應(yīng)力開(kāi)裂是影響埋地管道安全和完整性的主要因素之一。1996 年加拿大能源委員會(huì)針對(duì)油氣輸送管道（B～X65 鋼級(jí)） 的SCC 開(kāi)展了調(diào)查并形成報(bào)告[1]，在此基礎(chǔ)上， 加拿大能源管道協(xié)會(huì) （CEPA） 制定了近中性pH SCC 管理推薦實(shí)施細(xì)則[2]。 這些研究和措施均意味著管道的SCC 可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果， 因此它是管道完整性管理過(guò)程中的關(guān)注重點(diǎn)。

隨著我國(guó)油氣輸送管網(wǎng)的快速發(fā)展， X70、X80 鋼已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用， X90 和X100 鋼也已經(jīng)被成功開(kāi)發(fā)。 根據(jù)張繼明等[3]對(duì)管線鋼顯微組織的統(tǒng)計(jì)， 隨著鋼級(jí)的增加， 其顯微組織也存在差異： X65 以下管線鋼主要為鐵素體/珠光體，X70、 X80 鋼主要為針狀鐵素 體， X90 和X100鋼主要為貝氏體。 一般認(rèn)為， 高pH SCC 的機(jī)理為陽(yáng)極溶解或者陽(yáng)極溶解與氫脆的協(xié)同作用； 近中性pH SCC 的機(jī)理為陽(yáng)極溶解、 陽(yáng)極溶解與氫脆的協(xié)同作用或者氫損傷[4-9]。

陰極保護(hù)是長(zhǎng)輸管網(wǎng)常見(jiàn)的防腐措施， 外加電位越負(fù)， 則相對(duì)于氫電位的過(guò)電位越高，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量越多， 氫脆損傷的影響可能越大， 特別是高強(qiáng)度管線鋼。 因此， 陰極保護(hù)對(duì)高強(qiáng)度管線鋼的土壤應(yīng)力腐蝕的影響值得研究探討。 本研究擬通過(guò)介紹陰極保護(hù)對(duì)外防腐層的影響， 以及對(duì)比分析不同強(qiáng)度材料在陰極保護(hù)下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究成果， 為高強(qiáng)度管線鋼在陰極保護(hù)下的應(yīng)力腐蝕行為提供一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)， 以期為我國(guó)高強(qiáng)度管網(wǎng)完整性管理提供參考。

1 陰極保護(hù)電流/電位對(duì)外防腐層完整性的影響

在埋地管道的外防腐層完好的狀態(tài)下， 涂層將腐蝕介質(zhì)和管道外表面完全隔離開(kāi)， 此時(shí)管道不具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的必要條件， 因此， 不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 埋地管道的涂層破損通常來(lái)自于以下3 個(gè)方面： ①陰極剝離； ②土壤應(yīng)力導(dǎo)致的管道涂層破裂； ③機(jī)械破壞。 過(guò)高的強(qiáng)制電流或者過(guò)負(fù)的外加電位都會(huì)加劇涂層的陰極剝離程度[10-13]。

1.1 強(qiáng)制電流

Mark Yunovich 等[13]研究了強(qiáng)制電流對(duì)4 種不同涂層（HPCC、 FBE1、 FBE2、 LE） 在3 種近中性土壤環(huán)境 （DOH、 RNM、 TCO） 下的陰極剝離的影響， 試驗(yàn)時(shí)電流密度分別選擇2.0 mA/ft2、20 mA/ft2和200 mA/ft2。 試驗(yàn)結(jié)果顯示， 不同的涂層， 強(qiáng)制電流導(dǎo)致的陰極剝離直徑存在差異，4 種涂層耐陰極剝離的排序?yàn)镠PCC＞LE＞FBE2＞FBE1； 隨著強(qiáng)制電流密度的增加， 涂層的剝離直徑增大， 電流密度達(dá)到200 mA/ft2時(shí)， 涂層的剝離直徑顯著增加。 圖1、 圖2 和圖3 分別為根據(jù)TCO、 RNM、 DOH 三種土壤環(huán)境下的剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理獲得的強(qiáng)制電流與涂層陰極剝離直徑的關(guān)系。

圖1 TCO 土壤環(huán)境下強(qiáng)制電流對(duì)涂層陰極剝離的影響

圖2 RNM 土壤環(huán)境下強(qiáng)制電流對(duì)涂層陰極剝離的影響

圖3 DOH 土壤環(huán)境下強(qiáng)制電流對(duì)涂層陰極剝離的影響

1.2 外加電位

王貴容等[12]針對(duì)陰極保護(hù)電位對(duì)海水環(huán)境下破損環(huán)氧涂層陰極剝離的影響進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)隨著電位的負(fù)移， 涂層剝離面積逐漸增大， 在室溫靜態(tài)海水環(huán)境下， -750 mVSCE保護(hù)電位對(duì)于破損涂層的金屬基體欠保護(hù)； -1 050 mVSCE電位極化下發(fā)生嚴(yán)重的析氫現(xiàn)象， 破壞了鈣質(zhì)沉積層的完整性， 界面堿化程度較大， 涂層剝離面積最大； -850 mVSCE和-950 mVSCE保護(hù)電位均能抑制破損處金屬的腐蝕； -950 mVSCE保護(hù)電位下生成的CaCO3和Mg（OH）2鈣質(zhì)沉積層完整致密， 保護(hù)效果最佳。

在飽含水的粘土環(huán)境下， 針對(duì)陰極保護(hù)電位對(duì)3PE 防腐層的剝離影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬研究， 其陰極保護(hù)電位與剝離直徑的關(guān)系如圖4 所示。 由圖4 可見(jiàn)， 隨著陰極電位的負(fù)移， 剝離直徑逐漸增大。 當(dāng)陰極電位從-850 mVCSE負(fù)移至-1 100 mVCSE時(shí)， 剝離直徑增幅較緩； 當(dāng)電位低于-1 200 mVCSE時(shí)， 剝離直徑顯著增加。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 在較負(fù)的陰極保護(hù)電位下， 3PE 防腐層剝離直徑顯著提高。

圖4 陰極保護(hù)電位與剝離直徑的關(guān)系

2 外加電位對(duì)管線鋼SCC 的影響

管線鋼土壤環(huán)境下的SCC 研究方法很多， 常見(jiàn)的力學(xué)試驗(yàn)有慢應(yīng)變拉伸 （SSRT）、 循環(huán)載荷加載和恒載荷加載， 試樣又分為光滑試樣和預(yù)制裂紋試樣[14-29]。 每一種試驗(yàn)方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)及其局限性， 采用不同的試驗(yàn)方法獲得的試驗(yàn)結(jié)果并非完全相同。 對(duì)管線鋼SCC 敏感性分析時(shí)，需要結(jié)合試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合考慮。 圖5 為T(mén)omohiko Omura 等[15]采用不同的試驗(yàn)方法對(duì)X80 鋼在近中性環(huán)境下進(jìn)行SCC 試驗(yàn)后建立起來(lái)的SCC 敏感性與氫滲入量和力學(xué)之間的關(guān)系，由圖5 可見(jiàn)， SSRT 最為敏感， 而恒載荷最不敏感。 下面將分別介紹采用這3 種不同試驗(yàn)方法時(shí)外加電位對(duì)管線鋼SCC 影響的研究情況。

圖5 SCC 敏感性與氫滲入量和力學(xué)之間的關(guān)系

2.1 SSRT 試驗(yàn)

SSRT 是一種以力學(xué)為主導(dǎo)的試驗(yàn)方法， 主要采用光滑試樣， 是管線鋼土壤應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂評(píng)估中應(yīng)用最多的試驗(yàn)方法， 其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)SCC最敏感。 對(duì)文獻(xiàn)[4-5] 和文獻(xiàn)[21-28] 中SSRT 試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明， 在相同試驗(yàn)條件下， 不同試驗(yàn)室獲得應(yīng)力敏感指數(shù)的整體趨勢(shì)基本一致， 對(duì)于具體的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù) （ISCC），不同實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)值有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的差異。對(duì)不同實(shí)驗(yàn)室在施加不同外加電位下X80 母材和焊縫的SCC 行為的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基于延伸率對(duì)比獲得ISCC 與外加電位之間的變化趨勢(shì)如圖6 所示。 由圖6 可見(jiàn)， 在近中性pH環(huán)境下， 盡管不同實(shí)驗(yàn)室得到的敏感指數(shù)數(shù)值存在差異， 但其應(yīng)力指數(shù)隨外加電位的變化趨勢(shì)是一致的， 隨著電位負(fù)移， SCC 敏感指數(shù)逐漸增加， 即電位越負(fù)， X80 管線鋼的SCC 敏感性增加。 此外， 對(duì)比X80 母材和X80 焊縫的SCC 試驗(yàn)結(jié)果， 焊縫較母材對(duì)SCC 更為敏感。

圖6 X80 母材和焊縫在SSRT 試驗(yàn)后SCC 敏感性與外加電位的關(guān)系

對(duì)于范林等[4]報(bào)道的X80 母材在高pH （pH=9.62） 環(huán)境的SCC 試驗(yàn)， 盡管基于延伸率對(duì)比獲得ISCC 相對(duì)較小， 但若采用斷面收縮率來(lái)評(píng)估應(yīng)力指數(shù)， 其敏感性明顯不同， 隨著電位負(fù)移，SCC 敏感指數(shù)將逐漸增加。

R.W.Revie 等[29]在近中性pH 環(huán)境下對(duì)不同鋼（X70、 X80、 X100 和X120 鋼） 在不同外加電位下的SSRT 試驗(yàn)， 根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果， 基于斷面收縮率對(duì)比獲得ISCC 與外加電位之間的變化趨勢(shì)如圖7 所示。 隨著外加電位的負(fù)移， 所有鋼的應(yīng)力敏感性均增大； 隨著鋼級(jí)的增加， SCC 敏感性也在增加。 相比之下， X100 和X120 管線鋼在自腐蝕電位（Ecorr）、 -776 mVSCE（-850 mVCSE） 以及Ecorr為-100 mV 就已經(jīng)具有非常高的SCC 敏感性。

2.2 循環(huán)加載試驗(yàn)

循環(huán)加載試驗(yàn)通常采用預(yù)制裂紋試樣或預(yù)制刻槽試樣， 可獲得模擬管道在壓力波動(dòng)下裂紋萌生與擴(kuò)展的情況， 通過(guò)觀察是否起裂或者測(cè)量裂紋擴(kuò)展速率來(lái)衡量材料SCC 行為。 最大載荷、應(yīng)力比R 對(duì)循環(huán)加載后的裂紋擴(kuò)展速率影響較為明顯， 通常最大載荷越大、 R 越?。磻?yīng)力波動(dòng)越大）， SCC 裂紋擴(kuò)展越高。 Tomohiko Omura等[15-16]則采用預(yù)制刻槽的試樣進(jìn)行試驗(yàn)， 在相同外加電位和加載應(yīng)力比例的條件下， X52、 X65 和X80 鋼的開(kāi)裂情況相當(dāng)。

圖7 不同管線鋼在SSRT 試驗(yàn)后SCC 敏感性與外加電位的關(guān)系

Beavers 等[20]對(duì)3 種X65 鋼的預(yù)制裂紋CT 試樣加載循環(huán)載荷， 測(cè)試了在未加陰極保護(hù)條件和施加陰極保護(hù)條件下 （Ecorr： -700～720mVSCE； 陰極保護(hù)電位： -900mVSCE、 -910mVSCE） 的裂紋擴(kuò)展速率， 試驗(yàn)結(jié)果如圖8[20]所示。 對(duì)于原始裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)較大的兩種X65 鋼試樣（A-20、C-2）， 在施加陰極保護(hù)電位后， 其裂紋擴(kuò)展速率減緩； B-4 的原始裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)較低， 在施加陰極保護(hù)電位后， 其裂紋擴(kuò)展速率未發(fā)生明顯變化。 但是， 崔中雨針對(duì)不同外加電位下對(duì)X70鋼在近中性pH 環(huán)境下裂紋擴(kuò)展速率排序?yàn)閇9]：-1 200 mVSCE＞-750 mVSCE（Ecorr） ＞-850 mVSCE，即-850 mVSCE時(shí)抑制了裂紋擴(kuò)展速率， 但是在-1 200 mVSCE時(shí)則促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展速率。

圖8 X65 鋼在是否有陰極保護(hù)下的裂紋擴(kuò)展速率

2.3 恒載荷加載試驗(yàn)

恒載荷加載往往需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)周期才能觀察到裂紋萌生， 通常采取記錄裂紋的萌生時(shí)間或者對(duì)比裂紋特征 （長(zhǎng)度、 深度、 數(shù)量） 來(lái)衡量SCC 的敏感性。 張良[27]采用光滑試樣對(duì)X80 母材在近中性環(huán)境下開(kāi)展了為期720 h 的SCC 試驗(yàn)，即使加載90%AYS 也未開(kāi)裂。 此外， Tomohiko Omura 等[15-16]則采用預(yù)制刻槽的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，在外加-1 250 mVSCE的近中性環(huán)境下， X80 和X52 鋼試樣在加載90%AYS 經(jīng)歷28 天試驗(yàn)后未發(fā)生開(kāi)裂。 采用光滑試樣， 管線鋼在土壤環(huán)境下30 天很難觀察到裂紋萌生與擴(kuò)展。 為了對(duì)比X80和X100 鋼的SCC 敏感性， LI Yan 等[14]在近中性環(huán)境下開(kāi)展了220 天的長(zhǎng)周期試驗(yàn)， 加載應(yīng)力為95%SMYS。 基于外加電位， 其試驗(yàn)條件為：①無(wú)外加電位（No CP）； ②-750 mV （vs SCE， 以下情況相同）； ③-776 mV （對(duì)應(yīng)為-850 mVCSE）；④-776 mV 間歇（110 天No CP+110 天-776 mV）；⑤-840 mV （自腐蝕電位降100 mV）； ⑥-1126 mV間 歇 （ 110 天 No CP +110 天-1 126 mV) ；⑦-1 126 mV （對(duì)應(yīng)-1 200 mVCSE）。 當(dāng)外加電位在-840 mV 和-1 126 mV 試 驗(yàn) 條 件 下， X80 和X100 鋼試樣表面未發(fā)現(xiàn)裂紋萌生； 其余試驗(yàn)條件則均有裂紋萌生與擴(kuò)展。 圖9～圖11 分別為根據(jù)LI Yan 等人的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析整理獲得的平均裂紋深度、 裂紋長(zhǎng)度和裂紋數(shù)量的對(duì)比圖。試驗(yàn)結(jié)果顯示： 陰極保護(hù)對(duì)X80 和X100 管線鋼的裂紋萌生和擴(kuò)展具有一定抑制作用， 隨著外加電位的負(fù)移， 對(duì)裂紋萌生及其擴(kuò)展的抑制作用增加； 相比之下， 氫對(duì)X100 管線鋼的影響明顯高于X80 鋼， 在相同試驗(yàn)條件下， X100 管線鋼的裂紋深度更大， 裂紋數(shù)量更多。

圖9 X80 和X100 鋼在不同試驗(yàn)條件下的平均裂紋深度

圖10 X80 和X100 鋼在不同試驗(yàn)條件下平均裂紋長(zhǎng)度

圖11 X80 和X100 鋼在不同試驗(yàn)條件下的裂紋數(shù)量

3 認(rèn)識(shí)與建議

根據(jù)Bathub 模型， 管道中SCC 裂紋生長(zhǎng)壽命分為4 個(gè)階段： ①SCC 條件未形成階段； ②裂紋萌生階段； ③裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段； ④裂紋快速擴(kuò)展直至斷裂階段。 外防腐層完好時(shí)則不滿足發(fā)生SCC 的三要素， 即SCC 條件未形成階段； 當(dāng)外防腐層剝離或破損且地層水達(dá)到管道表面， 才滿足發(fā)生的SCC 條件， 裂紋的萌生需要時(shí)間來(lái)孕育， 恒載荷加載試驗(yàn)與這一階段較為接近， 傾向于評(píng)價(jià)裂紋的萌生和早期擴(kuò)展； 采用循環(huán)載荷加載測(cè)量裂紋的擴(kuò)展速率則傾向于評(píng)價(jià)裂紋的擴(kuò)展階段； 慢應(yīng)變拉伸提供持續(xù)應(yīng)變直至試樣斷裂， 更傾向于評(píng)價(jià)裂紋的快速擴(kuò)展直至斷裂階段。 采用不同的試驗(yàn)方法對(duì)管線鋼進(jìn)行SCC 試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)結(jié)果存在差異， 說(shuō)明陰極保護(hù)對(duì)于SCC 裂紋生長(zhǎng)壽命各階段具有不同的影響。 陰極保護(hù)對(duì)管線鋼SCC 試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可見(jiàn)： 過(guò)負(fù)的陰極電位或者過(guò)高的強(qiáng)制電流都不利于防腐層保持完整性， 會(huì)增加防腐層的剝離直徑； 采用不同試驗(yàn)方法獲得陰極保護(hù)對(duì)管線鋼SCC 的影響存在較大差異， 慢拉伸試驗(yàn)規(guī)律為隨著陰極電位的負(fù)移， 管線鋼的SCC 敏感性增加；采用循環(huán)加載試驗(yàn)， 自腐蝕電位下降200 mV內(nèi)， X65 和X70 管線鋼的裂紋擴(kuò)展速率均得到抑制， X70 管線鋼在自腐蝕電位下降450 mV 的陰極保護(hù)電位下， 裂紋擴(kuò)展速率增加， 陰極電位對(duì)SCC 裂紋擴(kuò)展速率的影響規(guī)律存在差異， 但現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)量不夠充分， 需進(jìn)一步研究其影響規(guī)律； 采用恒載荷試驗(yàn)， 陰極保護(hù)有利于抑制X80 和X100 鋼在近中性環(huán)境下的裂紋萌生， 但陰極電位與自腐蝕電位差值小于100 mV 時(shí)， 未能阻止裂紋的萌生與擴(kuò)展， 隨著陰極電位的負(fù)移， 裂紋萌生的數(shù)量增加， 但裂紋深度降低， 電位越負(fù)， 其抑制效果越明顯， 在相同試驗(yàn)條件下， X100 鋼的裂紋深度較X80 鋼更深。

陰極保護(hù)對(duì)高強(qiáng)度管線鋼應(yīng)力腐蝕的影響在國(guó)內(nèi)外均備受重視， PRCI 和CEPA 在近20 年已經(jīng)開(kāi)展了3 個(gè)相關(guān)專題研究， 以期建議有效地陰極保護(hù)電位來(lái)緩解應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 鑒于不同試驗(yàn)方法獲得的試驗(yàn)結(jié)果并不一致， 目前仍未能針對(duì)不同鋼級(jí)給出具體的有效陰極保護(hù)電位。 結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析， 筆者建議： ①避免采用導(dǎo)致涂層大幅剝離的過(guò)負(fù)電位或過(guò)高的強(qiáng)制電流； ②恒載荷加載試驗(yàn)和循環(huán)加載試驗(yàn)下， 陰極電位對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律存在不一致現(xiàn)象， 陰極保護(hù)電位對(duì)SCC 裂紋產(chǎn)生速率的影響仍需深入的研究； ③恒載荷與SSRT 試驗(yàn)結(jié)果均顯示，X100 鋼比X80 鋼具有更高的SCC 敏感性， 建議對(duì)于X80 以上鋼級(jí)， 在工程實(shí)際應(yīng)用前宜針對(duì)土壤環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)展研究， 并制定相應(yīng)的防護(hù)措施， 降低SCC 風(fēng)險(xiǎn)。