CN104537216B - 管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料应力腐蚀领域，特别提供了管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法，可以快速有效预测土壤中材料因为应力腐蚀导致的裂纹扩展并失效的时间，以解决重大工程中埋地管线钢因为应力腐蚀破裂造成重大事故的无法预测问题。利用慢速率扫描极化曲线和快速率扫描极化曲线得到非裂尖区域和裂尖区域的极化曲线，选取慢扫极化曲线的零电流电位与快扫极化曲线相交的电流作为裂尖的腐蚀速度，根据裂纹扩展模型，提出裂纹扩展时间与电化学腐蚀速率的关系，预测其服役时间。

Description

管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法

技术领域

本发明属于金属材料环境应力腐蚀领域，特别是提供了一种适用于油气管道的管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法。

背景技术

国内外管线运行经验表明，土壤环境管线钢的应力腐蚀破裂是埋地长输油气管线发生突发性破裂事故的主要危险之一。自2000-2001年起，我国重大工程西气东输以及周边国家相连的天然气管网先后开始动工，至今已经有十余年。鉴于国际上多次发生土壤SCC造成的重大损失，针对油气管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的寿命预测方法已经迫在眉睫了。目前对于管线钢在相关环境下的应力腐蚀特性及机理研究的比较多，但是却没有人给出一个快速便捷的寿命预测方法，无法有效的估算管道发生SCC破裂的时间并避免事故的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油气管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法，可以快速估算油气管道用高强钢服役寿命，并有效避免发生SCC破裂事故。

本发明的技术方案是：管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法，具体包括以下步骤：

步骤1.1用于获得电化学实验体系：首先将待测土壤在温度为100±5℃烘干2h、研磨，用20目的筛子过筛后，用水与土壤1：1的比例配制成土壤溶液，备用；将待测金属用环氧树脂把实验用的材料镶嵌起来，工作面积为10mm×10mm，用200、600、800号金相砂纸逐级打磨至光亮，用无水乙醇和丙酮进行脱脂，用蒸馏水冲洗，吹干，作为工作电极，将所述工作电极浸入到上述制备得到的土壤溶液的浸出液中15～50min，待电位稳定后进行测量，与辅助电极和参比电极，装入三电极体系进行极化曲线的测量；

步骤1.2用于获得腐蚀电流密度：采用0.5mV/s～300mV/s之间的多种不同扫描速率测试体系的极化曲线，通过该曲线获得油气管道用高强钢裂纹及周边区域在体系中腐蚀电流密度i；

步骤1.3用于获得裂纹扩展速率：根据管线钢SCC扩展模型，进行假设简化，获得SCC扩展不同阶段裂纹扩展速率与腐蚀电流密度之间的关系，其中：

浅裂纹阶段裂纹扩展速率v₁，采用公式(1)计算

其中，式中M为Fe的摩尔质量；n为Fe的价电子数，n＝2；N_A为阿佛加德罗常数；ρ为Fe的密度，i_a1是浅裂纹阶段的平均腐蚀电流密度，；

深裂纹阶段裂纹扩展速率v₂采用公式(2)

其中，式中K_I-max为最大载荷；K_I-min为最小载荷；k_total为总的系数项；f为载荷变化的频率,i_a2是深裂纹阶段的腐蚀电流密度；

步骤1.4用于获得浅裂纹阶段平均腐蚀电流密度：浅裂纹阶段随时间变化的腐蚀电流密度，获得该阶段的平均腐蚀电流密度i_a1，采用

i_a1＝i_a12+k_a1(i_a11-i_a12) (3)

其中，式中i_a11为第二阶段起始腐蚀电流密度，i_a12为第二阶段终止腐蚀电流密度即第三阶段平台腐蚀电流密度，k_a1取值范围为0～0.5；

1.5将上述步骤获得的裂纹扩展速率整合，获得油气管道用高强钢的服役寿命，采用

T＝k₁D/i_a1+k₂(L-D)/i_a2 (4)

其中，式中k₁为浅裂纹阶段裂纹扩展速率v₁与腐蚀电流密度i的系数项的倒数，k₂为深裂纹阶段裂纹扩展速率v₂腐蚀电流密度i的系数项的倒数，D为浅裂纹和深裂纹的临界尺寸，L为工程上材料安全服役的最深裂纹长度，i_a1是浅裂纹阶段的平均腐蚀电流密度，i_a2是深裂纹阶段的腐蚀电流密度。

目前因为应力腐蚀而造成的裂纹扩展失效实例比较多，而比较常见的寿命预测有两种：一是根据经验大致的估算其寿命；二是通过实际检测其裂纹扩展速率随时间的变化。其中第一种方法便捷快速，但是其准确度有待商榷；而第二种方法比较有效准确，但是其缺点是操作复杂，周期长。

本发明的优点就在于该方法可以快速、有效地预测埋地管线钢因为发生应力腐蚀破裂的寿命，为埋地管线钢后期维护上提供了根据。实验方法简单，结果可靠。

附图说明

图1是快速扫描极化曲线和慢速扫描极化曲线。

图2是SCC扩展的Parkins“浴缸”模型。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

首先将待测土壤在温度为100±5℃烘干2h、研磨，用20目的筛子过筛后，用水与土壤1：1的比例配制成土壤溶液，备用；将待测金属用环氧树脂把实验用的材料镶嵌起来，工作面积为10mm×10mm，用200、600、800号金相砂纸逐级打磨至光亮，用无水乙醇和丙酮进行脱脂，用蒸馏水冲洗，吹干，作为工作电极，将所述工作电极浸入到上述制备得到的土壤溶液的浸出液中15～50min，待电位稳定后进行测量，与辅助电极和参比电极，装入三电极体系进行极化曲线的测量；

选取0.5mV/s、5mV/s、10mV/s、25mV/s、50mV/s、100mV/s、150mV/s和300mV/s 8种不同扫描速率做出极化曲线，其中，0.5mV/s扫描速率处于准平衡态，是电化学极化曲线测试中常用的稳态扫描速率，为慢速扫描曲线；当扫描速率≤50mV/s时的极化曲线达到亚稳态，50mV/s、100mV/s、150mV/s和300Mv/s四条极化曲线基本一致，均具有代表性，选择100mV/s的曲线作为快速扫描极化曲线；如图1所示，慢速扫描极化曲线的腐蚀电流密度为非裂尖区域的腐蚀电流密度i_a1，而与之同电位的快速扫描极化曲线的阳极电流则为裂尖的腐蚀电流密度i_a2，比慢扫曲线的腐蚀电流密度高2个数量级，说明新鲜金属表面具有极大的电化学活性。

根据管线钢SCC扩展模型——Parkins“浴缸”模型，如图2所示，管线钢发生断裂必经的四大阶段：第一阶段为裂纹萌生阶段；第二和第三阶段是裂纹缓慢扩展阶段；第四阶段是较快速度扩展阶段。除第一阶段外，其他阶段扩展速率均与其裂尖的腐蚀速率存在关系式。为了解释SCC扩展的行为，进行如下假设：①SCC萌生均由拉应力作用下的电化学腐蚀导致的，且腐蚀产物的形成对腐蚀介质的扩散起到阻碍作用；②随着SCC深度的增加，裂纹尖端pH逐渐降低，裂尖酸化；③只有当裂纹尖端的K_I增加到一定水平(即裂尖应力增加到足够高、发生局部塑性应变)，且pH降低到足够的水平，应力和氢才能发生明显的协同作用，明显加速阳极溶解作用，导致SCC扩展加速；④裂纹扩展暴露出的新鲜金属表面具有较高的阳极溶解作用，促进阳极溶解作用。根据以上假设，可以推导出SCC扩展速率公式，设浅裂纹阶段和较深裂纹阶段的扩展速率分别是v₁和v₂，其关系式为：

其中M为Fe的摩尔质量；n为Fe的价电子数，n＝2；N_A为阿伏伽德罗常数；ρ为Fe的密度。

其中K_I-max为最大载荷；K_I-min为最小载荷；k_total为总的系数项；f为载荷变化的频率。

对推导的公式进行验证，其结果为：将测试的腐蚀电流密度代入公式(1)，获得的浅裂纹扩展速率与文献中的浅裂纹扩展速率数据一致；公式(2)仅适用于裂尖电化学过程变化不大的情况。

步骤4：为了能够快速估算出管线钢的寿命，将裂纹扩展过程中腐蚀电流速率简化为线性变化，设第二阶段起始腐蚀电流密度为i_a11，第二阶段终止腐蚀电流密度即第三阶段平台腐蚀电流密度为i_a12。因此其腐蚀电流密度为

i_a1＝i_a12+k_a1(i_a11-i_a12)

其中k_a1取值范围为0～0.5。

步骤5：根据上述情况定义在浅裂纹阶段腐蚀电流速率发生阶跃性增大的临界裂纹深度作为界定浅裂纹和深裂纹的临界尺寸D，并且定义工程上材料安全服役的最深裂纹长度为L。

令则有

v₁＝i_a1/k₁，v₂＝i_a2/k₂，由此可以求出其服役时间T：

T＝k₁D/i_a1+k₂(L-D)/i_a2

其中k₁和k₂分别是浅裂纹阶段和深裂纹阶段扩展速率与腐蚀电流密度的系数项的倒数，在材料和应力环境已知时，其值也可以计算。L和D通过实验及文献可以找出。所以只要通过电化学测试方法测得i_a1和i_a2即可估算其寿命。

Claims (2)

1.管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1.1用于获得电化学实验体系：首先将待测土壤在温度为100±5℃烘干2h、研磨，用20目的筛子过筛后，用水与土壤1：1的比例配制成土壤溶液，备用；将待测金属用环氧树脂把实验用的材料镶嵌起来，工作面积为10mm×10mm，用200、600、800号金相砂纸逐级打磨至光亮，用无水乙醇和丙酮进行脱脂，用蒸馏水冲洗，吹干，作为工作电极，将所述工作电极浸入到上述制备得到的土壤溶液的浸出液中15~50 min，待电位稳定后进行测量，与辅助电极和参比电极，装入三电极体系进行极化曲线的测量；

步骤1.2用于获得腐蚀电流密度：采用0.5mV/s~300mV/s之间的多种不同扫描速率测试体系的极化曲线，通过该曲线获得油气管道用高强钢裂纹及周边区域在体系中腐蚀电流密度i；

步骤1.3用于获得裂纹扩展速率：根据管线钢SCC扩展模型，进行假设简化，获得SCC扩展不同阶段裂纹扩展速率与腐蚀电流密度之间的关系，其中：

浅裂纹阶段裂纹扩展速率v₁，采用公式（1）计算

（1）

其中，式中M为Fe的摩尔质量；n为Fe的价电子数，n=2；N_A为阿佛加德罗常数；为Fe的密度，是浅裂纹阶段的平均腐蚀电流密度，；

深裂纹阶段裂纹扩展速率v₂采用 公式（2）

（2）

其中，式中为最大载荷；为最小载荷；为总的系数项；f为载荷变化的频率,是深裂纹阶段的腐蚀电流密度;

步骤1.4用于获得浅裂纹阶段平均腐蚀电流密度：浅裂纹阶段随时间变化的腐蚀电流密度，获得该阶段的平均腐蚀电流密度i_a1，采用

（3）

其中，式中为第二阶段起始腐蚀电流密度，为第二阶段终止腐蚀电流密度即第三阶段平台腐蚀电流密度，取值范围为0~0.5；

1.5将上述步骤获得的裂纹扩展速率整合，获得油气管道用高强钢的服役寿命，采用

（4）

其中，式中为浅裂纹阶段裂纹扩展速率v₁与腐蚀电流密度i的系数项的倒数，为深裂纹阶段裂纹扩展速率v₂腐蚀电流密度i的系数项的倒数，D为浅裂纹和深裂纹的临界尺寸，L为工程上材料安全服役的最深裂纹长度，是浅裂纹阶段的平均腐蚀电流密度， 是深裂纹阶段的腐蚀电流密度。

2.如权利要求1所述的电化学预测方法，其特征在于，所述的电化学测试中参比电极为饱和甘汞电极或Cu /CuSO₄参比电极；铂片为辅助电极。