X80管線鋼的土壤腐蝕行為研究

序

前言

第1章 緒論 1

1.1 油氣管線鋼的服役現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1

1.2 油氣管線鋼土壤腐蝕實(shí)驗(yàn)研究的背景與重要意義 3

1.3 X80管線鋼服役的腐蝕環(huán)境及其特點(diǎn) 5

1.4 土壤腐蝕的主要影響因素 6

1.4.1 中國(guó)土壤腐蝕網(wǎng)站建設(shè) 6

1.4.2 材料腐蝕實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的土壤環(huán)境性質(zhì) 7

1.4.3 土壤腐蝕電池與電極過(guò)程 8

1.4.4 土壤腐蝕的影響因素 10

1.5 土壤腐蝕實(shí)驗(yàn)研究方法 15

1.5.1 室外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn) 15

1.5.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 18

1.6 X80管線鋼土壤腐蝕研究工作進(jìn)展 20

參考文獻(xiàn) 21

第2章 X80管線鋼在新疆土壤中的腐蝕行為研究 27

2.1 長(zhǎng)輸管線的土壤腐蝕 27

2.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法 29

2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 29

2.2.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì) 30

2.2.3 實(shí)驗(yàn)方法 30

2.3 理化性能測(cè)試 31

2.3.1 拉伸性能測(cè)試 31

2.3.2 沖擊性能測(cè)試 33

2.3.3 彎曲性能測(cè)試 34

2.3.4 硬度測(cè)試 35

2.3.5 落#撕裂實(shí)驗(yàn) 37

2.3.6 金相組織分析 37

2.3.7 焊接對(duì)主體管道影響程度和范圍分析 41

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 43

2.4.1 X80管線鋼在霍爾果斯水飽和土壤中的腐蝕行為研究 43

2.4.2 X80管線鋼在烏魯木齊土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 47

2.4.3 X80管線鋼在連木沁土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 69

2.4.4 X80管線鋼在庫(kù)爾勒土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 98

2.5 本章結(jié)論 107

參考文獻(xiàn) 108

第3章 X80管線鋼在青海土壤中的腐蝕行為研究 110

3.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法 110

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 111

3.2.1 腐蝕速率的測(cè)定 111

3.2.2 腐蝕形貌觀察及分析 112

3.2.3 極化曲線分析 117

3.2.4 機(jī)理分析 119

3.3 本章結(jié)論 120

參考文獻(xiàn) 120

第4章 X80管線鋼在甘肅土壤中的腐蝕行為研究 121

4.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法 121

4.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 121

4.1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì) 121

4.1.3 實(shí)驗(yàn)方法 122

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 122

4.2.1 失重分析 122

4.2.2 腐蝕形貌觀察與分析 123

4.3 本章結(jié)論 144

第5章 X80管線鋼在陜西水飽和土壤中的腐蝕行為研究 146

5.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法 146

5.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 146

5.1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì) 147

5.1.3 電化學(xué)測(cè)量 147

5.1.4 腐蝕形貌觀察 147

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 147

5.2.1 X80管線鋼在靖邊水飽和鹽漬土壤中的腐蝕行為研究 147

5.2.2 X80管線鋼在榆林堿性沙土中的腐蝕行為研究 153

5.2.3 X80管線鋼在延安水飽和土壤中的腐蝕行為研究 157

5.3 本章結(jié)論 161

參考文獻(xiàn) 162

第6章 X80管線鋼在河南水飽和土壤中的腐蝕行為研究 163

6.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法 163

6.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 163

6.1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì) 163

6.1.3 電化學(xué)測(cè)量 163

6.1.4 腐蝕形貌觀察 164

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 164

6.2.1 電化學(xué)分析 164

6.2.2 腐蝕形貌觀察及分析 166

6.3 本章結(jié)論 168

參考文獻(xiàn) 169

第7章 X80管線鋼在重慶水飽和土壤中的腐蝕行為研究 170

7.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法 170

7.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 170

7.1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì) 170

7.1.3 電化學(xué)測(cè)量 171

7.1.4 腐蝕形貌觀察 171

7.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 171

7.2.1 電化學(xué)分析 171

7.2.2 腐蝕形貌觀察及分析 173

7.3 本章結(jié)論 175

參考文獻(xiàn) 175

第8章 X80管線鋼在東南酸性土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 177

8.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法 177

8.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 177

8.1.2 實(shí)驗(yàn)溶液 178

8.1.3 電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn) 178

8.1.4 表面形貌觀察與腐蝕產(chǎn)物分析 178

8.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 179

8.2.1 宏觀形貌觀察 179

8.2.2 微觀SEM形貌觀察和EDS分析 179

8.2.3 腐蝕速率測(cè)定 182

8.2.4 極化曲線測(cè)量 182

8.3 本章結(jié)論 184

參考文獻(xiàn) 184

第9章 X80管線鋼在海濱鹽堿土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 186

9.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法 186

9.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 186

9.1.2 實(shí)驗(yàn)溶液 186

9.1.3 電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn) 186

9.1.4 表面形貌觀察與腐蝕產(chǎn)物分析 187

9.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 187

9.2.1 宏觀形貌觀察 187

9.2.2 微觀SEM形貌觀察和EDS分析 187

9.2.3 腐蝕速率測(cè)定 191

9.2.4 極化曲線測(cè)量 191

9.3 本章結(jié)論 193

參考文獻(xiàn) 193

第10章 X80管線鋼在庫(kù)爾勒土壤中的微生物腐蝕規(guī)律研究 194

10.1 微生物腐蝕研究進(jìn)展 194

10.1.1 微生物腐蝕研究意義 194

10.1.2 微生物腐蝕研究現(xiàn)狀 195

10.1.3 生物膜與生物附著 197

10.1.4 微生物腐蝕形成的表面膜層對(duì)腐蝕動(dòng)力學(xué)的影響 200

10.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法 201

10.2.1 實(shí)驗(yàn)菌種 201

10.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 202

10.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 205

10.3.1 電化學(xué)分析 205

10.3.2 表面形貌觀察與分析 207

10.3.3 腐蝕機(jī)理分析 217

10.4 本章結(jié)論 218

參考文獻(xiàn) 219

第11章 天然氣管道土壤應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂研究現(xiàn)狀 222

11.1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂研究背景與意義 222

11.1.1 硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 223

11.1.2 高pH應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 224

11.1.3 近中性pH應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 224

11.2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響因素 225

11.2.1 材料因素 225

11.2.2 環(huán)境因素 227

11.2.3 力學(xué)因素 228

11.3 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂研究現(xiàn)狀 228

11.3.1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂機(jī)理研究進(jìn)展 228

11.3.2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性評(píng)定參數(shù) 229

11.3.3 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)方法 231

11.4 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂研究熱點(diǎn) 231

11.4.1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理研究 231

11.4.2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的裂紋擴(kuò)展特征研究 232

11.4.3 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的壽命預(yù)測(cè)與模型研究 233

11.4.4 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查程序和評(píng)估做法研究 234

11.4.5 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的完整性評(píng)價(jià)方法研究 237

11.4.6 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的預(yù)防措施研究 239

11.4.7 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的檢測(cè)及監(jiān)測(cè)方法研究 239

參考文獻(xiàn) 241

第12章 0.8 設(shè)計(jì)系數(shù)用X80管線鋼斷裂韌性測(cè)試 243

12.1 斷裂韌性測(cè)試方法 243

12.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法 244

12.2.1 實(shí)驗(yàn)原理 244

12.2.2 實(shí)驗(yàn)材料 245

12.2.3 斷裂韌性測(cè)試 245

12.2.4 起裂點(diǎn)的判定 248

12.3 X80管線鋼斷裂韌性實(shí)驗(yàn)研究 248

12.4 X80管線鋼失效評(píng)估圖研究 251

12.4.1 雙判據(jù)法原理 252

12.4.2 X80管線鋼選擇曲線3失效評(píng)估圖建立 253

12.5 本章結(jié)論 256

參考文獻(xiàn) 256

第13章 0.8 設(shè)計(jì)系數(shù)用X80管線鋼在近中性NS4溶液中的SCC行為研究258

13.1 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程 259

13.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 259

13.1.2 實(shí)驗(yàn)條件與過(guò)程 260

13.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 260

13.2.1 三種X80管線鋼SSRT實(shí)驗(yàn)結(jié)果 260

13.2.2 斷口形貌觀察 263

13.2.3 斷口側(cè)面形貌分析 272

13.3 本章結(jié)論 274

第14章 焊縫類(lèi)型和陰極保護(hù)對(duì)X80管線鋼的SCC行為影響研究 276

14.1 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程 277

14.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣制備 277

14.1.2 實(shí)驗(yàn)條件與過(guò)程 279

14.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 279

14.2.1 不考慮陰極保護(hù)電位情況下X80管線鋼的SCC實(shí)驗(yàn)結(jié)果 279

14.2.2 考慮陰極保護(hù)電位的情況下X80管線鋼的SCC實(shí)驗(yàn)結(jié)果 287

14.3 本章結(jié)論 297

參考文獻(xiàn) 297

第15章 X80管線鋼在近中性pH環(huán)境中臨界破斷應(yīng)力研究 299

15.1 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程 299

15.1.1 試樣尺寸及形狀 299

15.1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 299

15.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 301

15.3 本章結(jié)論 303 2100433B

本書(shū)全面介紹作者研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)對(duì)X80管線鋼在我國(guó)典型腐蝕性土壤環(huán)境中的腐蝕實(shí)驗(yàn)成果，展示了腐蝕研究方法、腐蝕數(shù)據(jù)積累和腐蝕行為規(guī)律與機(jī)理等方面的研究成果。同時(shí)，本書(shū)詳細(xì)介紹X80管線鋼及其焊縫在不同pH土壤環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕規(guī)律與機(jī)理方面的研究成果。全書(shū)以我國(guó)西氣東輸管線經(jīng)過(guò)的典型腐蝕性土壤為背景，以室內(nèi)模擬和加速腐蝕實(shí)驗(yàn)為手段，考慮了X80管線鋼在服役中可能產(chǎn)生的各種腐蝕形式（點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和微生物腐蝕等），開(kāi)展系統(tǒng)的研究工作，研究成果可為X80管線鋼在我國(guó)土壤環(huán)境中的服役提供翔實(shí)可靠的基礎(chǔ)腐蝕數(shù)據(jù)，為管線的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

本課題結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)，圍繞高強(qiáng)管線鋼土壤腐蝕的敏感服役環(huán)境因素及其形成機(jī)制、微觀腐蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制、腐蝕的不同階段（均勻腐蝕-點(diǎn)蝕-應(yīng)力腐蝕）關(guān)鍵影響因素及其電化學(xué)機(jī)制的演變過(guò)程等科學(xué)問(wèn)題，系統(tǒng)研究了X70、X80、X100等高強(qiáng)管線鋼在我國(guó)典型土壤環(huán)境中的腐蝕行為規(guī)律及關(guān)鍵影響因素，取得的主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)果如下： 1）在我國(guó)典型中度酸性土壤地區(qū)（鷹潭）、強(qiáng)酸性土壤地區(qū)（西雙版納）、干旱堿性鹽漬土地區(qū)（庫(kù)爾勒和格爾木）、高含水堿性鹽土（天津大港）以及高原堿性低鹽土地區(qū)（拉薩）進(jìn)行裸試樣和帶剝離涂層的高強(qiáng)管線鋼現(xiàn)場(chǎng)埋片試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)獲得了裸樣及涂層下的管線鋼腐蝕環(huán)境的形成規(guī)律及高強(qiáng)管線鋼的腐蝕規(guī)律及相關(guān)影響因素。 2）通過(guò)形成的系列化的實(shí)驗(yàn)室模擬與加速實(shí)驗(yàn)新技術(shù)，獲得了管線鋼剝離涂層下敏感腐蝕環(huán)境的形成規(guī)律及機(jī)理，腐蝕微區(qū)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)-力學(xué)電化學(xué)的交互作用機(jī)制，以及外加電位、微觀組織結(jié)構(gòu)和微生物對(duì)腐蝕的影響等；系統(tǒng)描述了管線鋼外部腐蝕的孕育期及早期腐蝕行為。 3）完善了高強(qiáng)管線鋼局部腐蝕-應(yīng)力腐蝕萌生、發(fā)展的電化學(xué)機(jī)理，提出并完善了應(yīng)力腐蝕的非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)機(jī)制，提出了弱交流雜散電流促進(jìn)高強(qiáng)管線鋼應(yīng)力腐蝕的非穩(wěn)態(tài)極化狀態(tài)促進(jìn)點(diǎn)蝕或應(yīng)力腐蝕微觀電化學(xué)模型。 4）通過(guò)建立的高強(qiáng)管線鋼在土壤環(huán)境中的微區(qū)相電化學(xué)的原位微區(qū)電化學(xué)手段及相關(guān)研究揭示了應(yīng)力腐蝕發(fā)生發(fā)展與微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 5）揭示了氫致韌性作用在陰保條件下管線鋼應(yīng)力腐蝕萌生及擴(kuò)展中的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了氫致韌性效應(yīng)能推遲SCC的萌生及減緩循環(huán)載荷下裂紋的擴(kuò)展速率。 6）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)模擬與加速實(shí)驗(yàn)研究，確認(rèn)了土壤pH、含鹽量及其成分、含水率及干濕交替環(huán)境、剝離涂層環(huán)境、陰保電位、組織結(jié)構(gòu)、微生物和受力狀態(tài)及應(yīng)力水平對(duì)高強(qiáng)管線鋼土壤腐蝕行為機(jī)理具有重要影響，取得的系列成果對(duì)管線鋼防護(hù)工程實(shí)踐及學(xué)科發(fā)展產(chǎn)生了巨大推動(dòng)作用。

本課題將在實(shí)土埋樣和模擬溶液腐蝕研究的基礎(chǔ)上，對(duì)高強(qiáng)管線鋼在土壤薄液膜下的腐蝕電化學(xué)機(jī)理開(kāi)展系統(tǒng)研究，通過(guò)對(duì)比實(shí)土埋樣、模擬溶液和土壤薄液膜下的腐蝕行為與機(jī)理，進(jìn)一步加深對(duì)土壤腐蝕主要影響因素的認(rèn)識(shí)；系統(tǒng)開(kāi)展土壤薄液膜下高強(qiáng)管線鋼腐蝕的相電化學(xué)機(jī)制以及應(yīng)力腐蝕裂紋萌生和擴(kuò)展不同演化階段及其關(guān)鍵影響因素研究，進(jìn)一步揭示高強(qiáng)管線鋼在我國(guó)土壤環(huán)境中腐蝕和應(yīng)力腐蝕的關(guān)鍵影響因素；確定涂層下閉塞薄液環(huán)境對(duì)局部腐蝕的促進(jìn)作用及其電化學(xué)機(jī)理，確定顯微組織所對(duì)應(yīng)的微電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)局部腐蝕萌生與擴(kuò)展的影響機(jī)制，結(jié)合非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)理論建立并進(jìn)一步發(fā)展高強(qiáng)鋼應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展安全評(píng)價(jià)理論與測(cè)試方法。該課題不僅能為我國(guó)高強(qiáng)管線鋼的性能優(yōu)化、管線防護(hù)及安全評(píng)價(jià)提供更完善的理論依據(jù)，而且能提升土壤環(huán)境腐蝕的研究水平，具有重要的實(shí)際工程價(jià)值和理論意義。

近十年來(lái)中國(guó)天然氣需求量大幅度增長(zhǎng)，輸送能力有了長(zhǎng)足發(fā)展，天然氣輸送用管線鋼級(jí)從X60 迅速提高到了X80。2005 年中國(guó)首條X80 鋼級(jí)管道應(yīng)用工程在冀寧線上建成。武鋼、寶鋼、鞍鋼為工程提供X80 管線板卷和鋼板，寶雞、華北及巨龍鋼管公司為工程完成制管。

早期的管線鋼一直采用C、Mn、Si型的普通碳素鋼，在冶金上側(cè)重于性能，對(duì)化學(xué)成分沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定。自60年代開(kāi)始，隨著輸油、氣管道輸送壓力和管徑的增大，開(kāi)始采用低合金高強(qiáng)鋼（HSLA），主要以熱軋及正火狀態(tài)供貨。這類(lèi)鋼的化學(xué)成分：C≤0.2%，合金元素≤3～5%。隨著管線鋼的進(jìn)一步發(fā)展，到60年代末70年代初，美國(guó)石油組織在API 5LX和API 5LS標(biāo)準(zhǔn)中提出了微合金控軋鋼X56、X60、X65三種鋼。這種鋼突破了傳統(tǒng)鋼的觀念，碳含量為0.1-0.14%，在鋼中加入≤0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，并通過(guò)控軋工藝使鋼的力學(xué)性能得到顯著改善。到1973年和1985年，API標(biāo)準(zhǔn)又相繼增加了X70和X80鋼，而后又開(kāi)發(fā)了X100管線鋼，碳含量降到0.01-0.04%，碳當(dāng)量相應(yīng)地降到0.35以下，真正出現(xiàn)了現(xiàn)代意義上的多元微合金化控軋控冷鋼。

我國(guó)管線鋼的應(yīng)用和起步較晚，過(guò)去已鋪設(shè)的油、氣管線大部分采用Q235和16Mn鋼?！傲濉逼陂g，我國(guó)開(kāi)始按照API標(biāo)準(zhǔn)研制X60、X65管線鋼，并成功地與進(jìn)口鋼管一起用于管線敷設(shè)。90年代初寶鋼、武鋼又相繼開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)高韌性的X70管線鋼，并在澀寧蘭管道工程上得到成功應(yīng)用。