X-70管线钢的应力腐蚀破裂特性

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1、上海交通大学博士学位论文摘要X-70管线钢的应力腐蚀破裂特性摘要西气东输工程是将我国新疆的天然气通过管道输往上海等东部地区的输气工程对我国西部开发和东部能源结构调整有重要意义由于该工程输送的天然气具有高压易燃的特点并且管线铺设路线长跨越的地区多沿途环境复杂多变安全性极为重要我国在高压油气长输管线建设方面起步较晚相关的科学研究和现场实践缺乏发达国家所积累的丰富经验表明土壤应力腐蚀破裂[StressCorrosionCracking(SCC)]是影响高压输气管线长期安全运行的主要危险之一管线钢的土壤SCC可分为高pHSCC和近中性pH

2、SCC两大类从目前国内外文献来看,有关管线钢在近中性pH环境中的SCC行为的研究相对较少,特别是X-70管线钢的研究结果在公开刊物上见到的不多,所以有关X-70钢在近中性pH环境中的开裂特性以及开裂机理的研究还需要做大量的工作由于SCC的影响因素很多外加电位CO2含量温度以及力学条件等都需进一步研究另外由于管线服役过程中可能存在的土层运动引起的管线扭矩的影响也不容忽视本课题作为国家973项目材料的环境行为与失效机理(G19990650)的子课题采用慢应变速率试验SSRT恒位移加载试验以及循环加载等多种方法进行综合分析研究1.有关环

3、境因素对X-70管线钢在模拟现场环境的近中性pH溶液NS4溶液中的SCC行为的影响的SSRT试验研究结果表明(1)X-70管线钢在近中性pH溶液中的开裂方式是穿晶的并且具有准解理特征同时可以发现断裂试样内部的微孔聚集(2)在自腐蚀电位Ecorr及其附近的阳极电位条件下X-70管线钢在近中性溶液中的SCC机理可能是氢促进阳极溶解且存在一SCC临界或阈值电位ESCC高于ESCCSCC敏感性很低或不发生而在阴极极化时随外加阴极电位的降低SCC敏感性增加氢致开裂HIC逐渐占主导(3)在Ecorr及其以上的阳极电位条件下试样表面裂纹与主拉伸

4、应力成近45角在很负的外加阴极电位条件下如-1200mV裂纹与拉伸应力垂直在-1200mV与Ecorr之间的阴极电位条件下两种方向的裂纹都存在但主要是垂直裂纹(4)随通入溶液中的混合气体中CO2含量的增加溶液pH值降低HIC作用增强SCC敏感性增加温度对SCC敏感性存在一定影响相同电位下随温度的下降溶液pH值略有降低室温以上不同温度间SCC敏感性差别不大室温以下I上海交通大学博士学位论文摘要SCC敏感性增加2.基于目前缺乏X-70管线钢的断裂韧度数据采用阻力曲线法测JIC进而转换为KIC通过估算X-70管线钢的断裂韧度KIC大致为

5、237.8MPam采用恒位移加载方法研究了裂纹的萌生以及预裂纹的扩展结果表明在所研究的试验条件下静载荷不促进裂纹的萌生和扩展恒位移加载条件下X-70管线1/21/2钢的SCC阈值应力强度因子KISCC大致在201.8MPa.m237.8MPa.m接近KIC3.采用改进的循环加载试验机对平面试样进行循环加载试验研究不同参数条件下不同试样不开缺口双边V形缺口以及单边线形缺口在近中性pH溶液中的裂纹萌生和扩展行为另外引入外加的剪切应力研究外加剪切应力叠加在拉伸应力上的复合加载对裂纹萌生和扩展的影响结果表明(1)外加阴极电位和高的CO2含

6、量促进循环载荷作用下裂纹的萌生和扩展高的最大拉伸应力或剪切应力以及低的最小/最大应力比值R也促进裂纹的萌生和扩展在模式I纯拉伸应力循环加载条件下裂纹垂直于主拉伸应力扩展而在复合模式I/III拉伸+剪切应力循环加载条件下由于循环剪切应力的作用裂纹与主拉伸应力呈一定角度扩展同时增加了裂纹之间可能相互作用的机会使裂纹容易聚合(2)线切割缺口的裂纹萌生和扩展更为容易其原因很可能主要是试样本身应力集中因子的差异造成的(3)从裂纹扩展过程中裂纹尖端的变化可以看出在裂纹扩展的初始阶段环境的作用不容忽视随着裂纹扩展的不断深入力学作用不断增强(4)

7、在低频循环加载条件下裂纹扩展似应为SCC占主导而不是腐蚀疲劳(5)根据循环加载条件下裂纹扩展的试验数据采用曲线拟合得到不同R值daC条件下裂纹扩展速率通式为=A+B(DK)平均裂纹扩展速率与循环次数的dadNl关系表达通式为=m+scdN(ave)(6)循环加载条件下裂纹的扩展主要分为两个阶段即稳定扩展的平台阶段和快速扩展阶段本工作结果表明在V形缺口或线形缺口但R值较大时平台区的平均裂纹扩展速率da/dt(ave)与现场裂纹扩展速率比较接近而快速扩展断裂区的裂纹扩展速率明显高于现场裂纹扩展速率几个数量级对于不同R条件下的试验数据似

8、可以通过确定平台的裂纹扩展速率与现场裂纹扩展速率的比值使实验室所得到的试验数据对现场寿命预测起到一定的指导或参考作用关键词X-70管线钢应力腐蚀破裂近中性pH萌生扩展循环加载II上海交通大学博士学位论文摘要CHARACTERISTICSOFSTRE