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 Pipeline
and Its Prevention
CHE Li-xin，DUAN Chang-gui
(Haerbin Institute of Technology，Haerbin 150090，China)
Abstract：The influencing factors and types of stress corrosion cracking(SCC)of buried steel 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；stress
1 概述
目前，我国现有油气长输管道超过3×104km，其中60％已进入事故多发期。城市燃气管网建设和更新改造也在快速发展。由腐蚀、开裂和机械损伤等造成的事故十分频繁，预防埋地管道产生腐蚀破坏，保障管道的长期安全运行，成为备受关注的重要问题。
据有关国家调查统计，每年因腐蚀造成的直接经济损失占当年本国国民经济生产总值的1.5％～4.2％。因此，对埋地管道的腐蚀已开展了多年的研究，取得了许多有意义的成果。但由于管道的土壤环境的变化、工况条件的变化、管道制作及腐蚀控制措施的不同，存在的腐蚀类型也发生了变化。例如，近年来频繁出现了应力腐蚀事故，对应力腐蚀开裂的研究逐渐增多。据加拿大11家公司对1985年一1995年间油气管道事故的统计，应力腐蚀开裂占破坏事故总数的17％；日本三菱化工机械公司对10a中破坏事故的调查统计结果表明，应力腐蚀开裂事故占45.6％。
经验表明，应力腐蚀开裂是埋地管道发生突发性破坏事故的主要危险之一。从腐蚀的类型看，点腐蚀和缝隙腐蚀造成的危害性相对较小，易于控制，而应力腐蚀开裂事故往往是在没有明显预兆的情况下，突然发生管道的灾难性破坏，其后果极其严重。因此，必须高度重视埋地管道的应力腐蚀开裂，通过研究提出相应的预防措施，将其造成的损失降到最低限度。
2 应力腐蚀开裂的影响因素
应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking，简称SCC)是指受拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介质中，由于腐蚀介质与应力的协同作用而发生的脆性断裂现象。埋地钢质管道运行中引发应力腐蚀开裂必须同时具备3个条件，即应力、特定的腐蚀环境和敏感的管道材料。
①应力
应力的主要作用是使金属发生应变，产生滑移，促进SCC裂纹形成、扩展和断裂。对于管线钢，应力可以来源于管道工作压力，也可以是腐蚀产物膜产生的体积应力或材料制造过程中的残余应力。管道承受的应力按方向分为轴向应力和径向应力， SCC裂纹在径向应力的作用下沿轴向萌生和扩展，而在轴向应力的作用下沿径向扩展。发生应力腐蚀的应力存在一个临界值，不仅应力的大小，而且应力的波动也是影响SCC的力学因素。管道应力波动主要来源于管道工作压力的循环波动。由于管道运输向着大口径、高输送压力方向发展，因而工作压力的影响不可忽视，而工作压力可产生径向应力进而导致轴向SCC的产生。
②腐蚀环境
金属管道只有在特定的腐蚀介质中才会产生应力腐蚀开裂，对油、气输送管道，内部腐蚀介质的影响因素主要为H2S，外部腐蚀介质的影响因素主要为土壤和地下水中的NO3-、OH-、CO2-3、HCO3-和 Cl-等。另外，阴极保护电位和环境pH值对管线钢的SCC也有重要影响。
③管道材料
金属材料的敏感性与钢材种类、钢材的等级、制造工艺、表面状态有关。
管道发生应力腐蚀开裂是腐蚀和应力两种因素通过相互协同作用而促进发生的，这两种因素的联合作用所引起的破坏远远大于单一因素分别作用后再叠加起来的结果。产生SCC的应力不一定很大，远低于管线钢的屈服极限，若没有腐蚀介质存在，管道可以长期服役而不会发生任何腐蚀破坏；反之亦然，产生SCC的特定介质的腐蚀性往往也是轻微的，如果没有应力存在，材料在这种介质中可能是足够耐腐蚀的。因此，应力腐蚀开裂是最严重的局部腐蚀破坏形式之一。
3 管线钢应力腐蚀开裂的类型
按照内外腐蚀介质对管线钢的影响，可分为受土壤中腐蚀介质影响的应力腐蚀开裂和受管内腐蚀介质影响的硫化物应力腐蚀开裂两类。管线钢在土壤中发生的应力腐蚀开裂主要分为高pH值沿晶型应力腐蚀开裂IGSCC和近中性低pH值穿晶型应力腐蚀开裂(TGSCC)两种类型。
3．1 高pH值沿晶型应力腐蚀开裂特征[1、2]
①发生在浓的碳酸盐和碳酸氢盐环境中，介质的pH值较高，通常为9～11。
②裂纹形态为沿晶型，裂纹密而窄，侧壁无明显腐蚀，沿晶型裂纹为主。
③与温度有关，在22～90℃下，裂纹扩展速率随温度上升而成指数关系增大。
④裂纹多出现在距加压站1～2个控制阀处，该部位的压力和压力波动比稍远的下游高。失效数量随距加压站距离的增加和管道温度的降低而显著降低。
⑤与特殊的地势、干湿交替的土壤以及可使防腐涂层剥离或损伤的土壤有关。
⑥发生在特定的开裂电位范围，随温度变化，在室温下的开裂电位(参比电极为饱和甘汞电极)为-520～-750 mV。
3．2 近中性低pH值穿晶型应力腐蚀开裂特征[1、2]
①一般发生在涂层受损、剥离和多孔渗水处，在含CO2的稀电解液中形成，pH值为5.5～7.5。
②裂纹形态为穿晶型，侧壁有明显腐蚀，裂纹深入扩展后变窄，以较宽的穿晶型裂纹为主。
③与温度无明显关系，也发生在地下水中 CO2含量较高的寒冷地带。
④曾经探测到在距加压站67 km处出现穿晶型应力腐蚀开裂裂纹。65％的失效发生在加压站和下游第1个阀之间(16～30km)，12％的失效发生在第1个和第2个阀之间，5％的失效发生在第2个和第3个阀之间，18％的失效发生在第3个阀的下游。
⑤与特殊的地势、干湿交替的土壤以及可使涂层剥离或损伤的土壤有关。
⑥发生在自然腐蚀电位为-760～-790 mV处。由于涂层的屏蔽或其他原因，阴极极化无法到达管子表面。
3．3 硫化物应力腐蚀开裂
我国生产运输的油气中广泛存在着硫化氢，致使油气输送管道的内壁存在着硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)的威胁。如果在输送气体中含有水分，H2S、 CO2溶于水中便形成了腐蚀性介质，管道表面的各种缺陷为易腐蚀的薄弱环节，在应力和腐蚀性介质的联合作用下，在金属表面钝化膜破裂处及其他缺陷处一般产生点腐蚀，在点蚀坑的底部易引发应力腐蚀开裂的初始裂纹，并通过应力和腐蚀介质的协同作用使裂纹继续生长扩展，直至材料失稳断裂。
4 管道应力腐蚀开裂事故和研究状况
发生在埋地钢质管道上的多起应力腐蚀破坏事故已引起广泛关注。1965年3月，在美国路易斯安那州Natchitoches镇附近发生了有记录的世界首例高压天然气管道应力腐蚀开裂的严重事故[3]。1965年一1969年，在美国又发生了11起天然气管道的 SCC事故，对一些重要管道进行水压试验和无损检测，又发现了145处存在着SCC破坏。1965年一1985年，美国共有约250条管道发生沿晶型SCC事故[4]。在澳大利亚的一些延伸范围不太大且服役期较短的天然气管道上也发生了SCC事故。在伊朗、前苏联、巴基斯坦等国家的天然气管道也遭遇到 SCC破坏。对这些SCC事故开展的大量研究表明，这是高压天然气管线钢在浓的NaHCO3一Na2CO3溶液中发生的高pH值沿晶型应力腐蚀开裂(IGSCC)，溶液pH值一般为9～11，也常称为经典型SCC。在过去的逾30a里，许多国家的研究者在实验室中对管线钢高pH值情况下的SCC问题展开了广泛的研究。
1985年3月一1986年3月，在加拿大Transcanada公司发生了3起导致天然气管道输气中断的重大事故，被确认为SCC破坏。1977年一1996年，在加拿大发生了22起埋地管道的SCC破坏事故，其中12起断管，10起泄漏。加拿大发生的这些管道SCC事故不同于早先许多国家管道上发生的高pH值沿晶型应力腐蚀开裂，而是一种低pH值或称近中性低pH值的穿晶型应力腐蚀开裂(TGSCC)，它是高压天然气管线钢在稀的H2CO3- HC03-溶液(pH值为5.5～7.5)中发生的SCC破坏。
在我国，统计资料表明，截至1993年底，四川石油管理局输气公司的输气干线共发生硫化物应力腐蚀开裂事故78起，其中川东公司的输气干线共发生硫化物应力腐蚀开裂事故28起，仅1979年8月一1987年3月间就发生12起由硫化物应力腐蚀开裂导致的爆管事故。
由于SCC破坏事故的严重性，加拿大国家能源局在1993年组织了共有47个单位参加的书面听证会，提出了一系列控制SCC破坏和保障管道运行安全的建议，此后在对埋地管道的SCC的管理和研究方面取得了许多重要进展。然而，在1995年2月和7月，加拿大Transcanada公司的高压天然气管道又接连发生了两起重大事故，前一起引起大火，后一起发生大爆炸。据查，这两起事故都是由于SCC破坏导致管道断裂。鉴于SCC事故存在可能在更广泛范围内发生的迹象以及对SCC深入研究的需要，促使加拿大国家能源局于1995年8月又开始了第二次公开听证活动，于1996年11月发布了著名的调研报告《加拿大油气管道的应力腐蚀开裂》［1］，提供了有关加拿大油气管道SCC情况的科学数据，引起了国际上的广泛关注。
该报告对埋地管线钢的SCC特征及发展的描述是：小裂纹从管道外壁萌生，开始时肉眼不可见，通常是成群出现，所有裂纹位于同一方向；历经多年扩展，这些独立的裂纹可变长、变深，且同一群组中的裂纹可连接成大裂纹。由于初期SCC发展很慢，故裂纹可在管道上存在多年而不引发问题，一旦裂纹扩展到足够大，最终将导致管道断裂，发生泄漏。
报告指出，继续进行管线钢SCC的研究十分重要，因为有关SCC萌生和扩展的基本问题尚未得到解决，需要继续开发有效的减缓SCC的措施，特别是SCC在线检测工具的改进将大大提高检测和控制SCC的能力。报告指出了需要进一步深入研究的3个领域：
①环境方面
a．含氧土壤条件与发生近中性低pH值SCC之间的关系。
b．在剥离的起翘涂层下，施加阴极电流以防止形成近中性低pH值SCC的方法。
c．施加阴极保护电流通过高电阻率土壤到达管道表面的替代方法。
d．由硫酸盐还原菌产生的硫化物的作用。
②材料方面
a．高强钢对SCC和氢脆的敏感性以及高强钢对SCC及其他缺陷的容许限度。
b．在近中性低pH值环境中，粗晶粒热影响区对SCC的敏感性。
c．循环软化对控制管子表面塑性变形的作用，以及通过水压再测试工序改变钢的循环软化特征的可行性。
d．SCC发生率与非金属夹杂物的数量和大小之间的关系。
e．管子表面状态与SCC萌生阈值应力水平之间的关系。
③应力方面
a．在实际工作应力水平下，应力大小、应力波动和应变速率对SCC萌生和扩展的单独的或联合的影响。
b．控制气液管道SCC的最小应力与最大应力的比值。
c．裂纹聚合在裂纹扩展中的作用。
d．残余应力在SCC萌生和扩展过程中的作用以及降低管道残余应力的可能途径。
5 埋地管道应力腐蚀开裂的预防措施
①建立管道寿命预测和SCC控制方法
我国对埋地管道在近中性低pH值环境下的应力腐蚀开裂研究和工程实践比较少，但这并不意味着它在我国就不存在。在一项由葡萄牙、中国和巴西等共同参加的欧洲尤里卡项目中，曾研制了一套石化系统应力腐蚀开裂的专家系统，取得了一定进展。我国应该尽早建设结合我国国情的埋地管道应力腐蚀开裂专家系统，建立埋地管道寿命预测和SCC控制方法，对埋地管道引发SCC的可能性进行评估，开展应力腐蚀开裂倾向的预测，保障埋地管道的安全服役。
②发展管道内壁的在线检测技术
现在我国对埋地管道的检测多采用传统的管道外检测技术，都属于间接检测管道腐蚀的方法，一般是检测管道外壁的腐蚀状况。在国外有一些使用较为广泛的管道内腐蚀检测方法，例如漏磁腐蚀检测和超声波检测法，以及采用微机网络系统为基础的SCADA技术对管道的运行情况进行实时监测，并以数据及图形方式再现埋地管道的详尽情况，为管道管理者提供决策参考。
③采用性能优良的防腐层
对埋地管道选择防腐层时，应考虑防腐层对SCC的影响。在新管道上阻抑SCC发生较为有效的措施是使用性能优良的防腐层以及同时对管道施加阴极保护。加拿大能源管道协会确定了对防腐层预防SCC的3项要求：能阻止形成致裂环境，防止电解质溶液与管道钢材表面的接触；防腐层脱落或破损时能允许阴极保护电流通过；防腐层施工时通过改变管道表面状态来降低残余应力。
④重视H2S对埋地管道SCC的影响
欧洲腐蚀理事会(EFC)经过多年论证，近年来推出了在H2S环境工况条件下埋地管道选材的系列指南，其中对碳钢和低合金钢选材发表了专题报告，给出了明确的防止H2S应力腐蚀失效的选材标准，这是第一次提出的国际权威准则，是H2S环境工况条件下设备选材的突破。现在我国已有实验证明，EFC准则对实际选材具有明显的应用价值[5]。同时，加强对天然气气质检测，把H2S浓度控制在标准参数以下，这是防止SSCC的重要措施。
⑤加工及操作措施
a．通过热处理消除材料内部的残余应力，如喷丸或喷砂处理使材料表面产生压应力，以降低静拉伸应力的作用。
b．酸洗设备表面，以获得最佳的表面状态。
c．控制焊缝的化学成分，避免焊缝合金成分超标，把焊缝的强度保持在可接受水平上。
d．借鉴美国腐蚀工程师协会NACE的有关规范，控制介质流速，以免发生严重的冲刷腐蚀。
e．加强腐蚀监测。
(本文作者：车立新，段常贵 哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150090)
上海宣邦科技技术人员认为，在防止埋地钢质管道发生应力腐蚀第⑤个方面的a中，钢管残余应力的消除，特别是钢管焊缝残余应力的消除显得特别重要，因为焊缝在常规施工条件下的应力状态都为残余拉应力，如果不经过处理的话这种拉应力加上腐蚀介质的作用，将直接影响管道的寿命。
上海宣邦科技的超声冲击处理焊缝是一种有别于捶击、喷丸、喷砂、热处理的新方法。可有效改善焊缝的应力状态，防止或减缓类似管线应力腐蚀问题的出现。另外，在一些疲劳强度或寿命要求较高的领域，可以有效提高焊缝的疲劳寿命。
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