辛艷萍，張 輝

（1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程系，山東 東營(yíng)257000；2.勝利石油管理局 勝利發(fā)電廠，山東 東營(yíng)257087）

1 油罐應(yīng)力腐蝕的基礎(chǔ)理論

1.1 應(yīng)力腐蝕特性

原油油罐在服役過程中由于應(yīng)力的存在及特定的腐蝕環(huán)境，一些具有應(yīng)力腐蝕敏感性的鋼材料極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。油罐罐底所承受的應(yīng)力比較復(fù)雜，長(zhǎng)期的應(yīng)力拉伸下，處于罐底水環(huán)境的油罐罐底就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，使得保護(hù)涂層和陰極保護(hù)失效，導(dǎo)致罐底鋼材的全面腐蝕加劇。根據(jù)鋼材在介質(zhì)中應(yīng)力腐蝕的形態(tài)，將應(yīng)力腐蝕分為穿晶型應(yīng)力腐蝕（TGSCC）和沿晶型應(yīng)力腐蝕（IGSCC）。其中，穿晶型應(yīng)力腐蝕在近中性溶液中發(fā)生，而沿晶型應(yīng)力腐蝕則發(fā)生在高pH值溶液中。

根據(jù)鋼材應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理［1］，可將其分為氫致開裂型（HE）和陽極溶解型（AD）兩大類。如果陽極溶解即鋼材的腐蝕對(duì)應(yīng)的陰極反應(yīng)是析氫過程，且釋放出的氫原子分散到鋼材中并對(duì)鋼材裂紋的形成與擴(kuò)展起決定作用，這種應(yīng)力腐蝕就稱為氫致開裂型應(yīng)力腐蝕；如果鋼材的腐蝕對(duì)應(yīng)的陰極反應(yīng)是析氫過程，但是釋放出的的氫原子太少，不足以引起鋼材的氫致開裂，鋼材裂紋的形成與擴(kuò)展都是由陽極溶解控制的，這種應(yīng)力腐蝕就稱為陽極溶解型應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素分別是：應(yīng)力、環(huán)境、材料。油罐罐底在服役過程中所受應(yīng)力情況十分復(fù)雜；由于長(zhǎng)期處于罐底水的環(huán)境中，受罐底水中的酸度、礦化度和鹽度的影響，其應(yīng)力腐蝕敏感性很大，尤其是柳屯原油庫(kù)的罐底水中Cl-的含量很高，很容易引起罐底的局部腐蝕，而局部腐蝕往往又是引起應(yīng)力腐蝕的最基本前提，會(huì)增大罐底鋼材的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。因此，油罐在介質(zhì)和應(yīng)力的雙重作用下必然會(huì)具有應(yīng)力腐蝕傾向。在油罐的生產(chǎn)運(yùn)行中，為延緩油罐罐底的腐蝕，經(jīng)常對(duì)罐底實(shí)施陰極保護(hù)，而陰極極化電位大小也會(huì)影響應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。

1.2 研究方法

目前，國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)力腐蝕的方法主要有恒載荷法、恒位移法、慢應(yīng)變速率法等［2］。其中，恒載荷法試樣耗材多、周期長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)性比較差；恒位移法則對(duì)試驗(yàn)裝置的要求非常高，操作起來也很復(fù)雜；而慢應(yīng)變速率法克服了前兩種方法的不足，且具有較大的優(yōu)越性。一方面，慢應(yīng)變速率法的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性較高；另一方面，用慢應(yīng)變速率法可以定量地測(cè)量出鋼材應(yīng)力腐蝕敏感性的大小。

因此，本試驗(yàn)將采用慢應(yīng)變拉伸法研究10＃鋼材在柳屯原油庫(kù)油罐底水介質(zhì)條件下的應(yīng)力腐蝕特性。

2 慢應(yīng)變拉伸法（SSRT法）試驗(yàn)

2.1 原理

慢應(yīng)變速率試驗(yàn)（SSRT）方法是由Henthorne和Parkins首創(chuàng)，并將其作為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法發(fā)展起來的。一開始主要用于判斷各種合金的組成成分和組織結(jié)構(gòu)對(duì)其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響，近年來開始逐步發(fā)展為研究鋼材應(yīng)力腐蝕的主要方法之一。

該方法的試驗(yàn)原理是，首先將受拉試樣置于特定的腐蝕介質(zhì)中，然后通過儀器設(shè)備對(duì)試樣施加一個(gè)恒定不變的拉伸速率，在緩慢拉伸的過程中，由于試樣的應(yīng)變狀態(tài)被強(qiáng)化，從而加速其應(yīng)力腐蝕的過程。這種方法能夠使試樣在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，從而確定材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。

在試樣的應(yīng)力腐蝕開裂過程中，對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展起決定作用的不是應(yīng)力而是拉伸速率。一般來說，當(dāng)拉伸速率在10-4～10-7mm／s內(nèi)時(shí)，鋼材才能夠發(fā)生應(yīng)力腐蝕。通過電子金相研究可知，在此拉伸速率范圍內(nèi)，試樣的裂紋尖端處于產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的臨界平衡狀態(tài)。

對(duì)于特定的材料——介質(zhì)體系，其應(yīng)力腐蝕開裂速率越快，所需的拉伸速率就越高。單軸拉伸是慢應(yīng)變速率試驗(yàn)常用的加載方法，其過程是將試樣固定在拉伸機(jī)上，通過一定的器械使試樣的卡頭以一定的拉伸速率緩慢拉伸，使試樣緩慢地產(chǎn)生應(yīng)變量，直至試樣被拉斷。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)具備以下條件：

（1）試驗(yàn)機(jī)能夠重復(fù)地提供恒定不變的拉伸速率，速率范圍為10-4～10-7mm／s；

（2）試驗(yàn)設(shè)備需要具備足夠的剛度，在試樣承受的載荷下，不會(huì)被拉變形；

（3）試驗(yàn)機(jī)上連接有數(shù)據(jù)輸出裝置和專門的控制儀器、儀表以及試驗(yàn)容器［3］。

假設(shè)在試驗(yàn)過程中，試樣卡頭的位移速度為恒慢速ΔL／Δt；用卡頭的相對(duì)位移表示試樣伸長(zhǎng)量ΔL。則有

式中，ε為試樣的工程應(yīng)變量，%；ΔL為試樣伸長(zhǎng)量，mm；L0為試樣初始標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。

2.2 試驗(yàn)儀器和介質(zhì)

該試驗(yàn)中采用的儀器設(shè)備為SCC-1型應(yīng)力腐蝕測(cè)量?jī)x。試樣是厚度為2mm的10＃鋼材試片，所用介質(zhì)是現(xiàn)場(chǎng)采集的柳屯原油庫(kù)油罐底水。

2.3 內(nèi)容

2.3.1 拉伸速率對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響

取3個(gè)試樣，分別測(cè)量其在油罐底水中不同拉伸速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，以及在空氣中拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

油罐底水中拉伸速率分別取0.000 1、0.000 041 mm／s，空氣中拉伸速率保持為0.000 1mm／s。圖1為10＃鋼在不同拉伸速率、不同介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。表1為不同介質(zhì)、拉伸速率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 10＃鋼在不同介質(zhì)、拉伸速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 不同介質(zhì)、拉伸速率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖1和表1可以看出，相同拉伸速率下，10＃鋼在罐底水介質(zhì)中的抗拉強(qiáng)度低于空氣中的，介質(zhì)中的應(yīng)變量小于空氣中的，介質(zhì)中的斷裂壽命低于空氣中的，所以柳屯原油庫(kù)的原油罐罐底鋼材10＃鋼在罐底水介質(zhì)環(huán)境下具有應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。介質(zhì)條件相同時(shí)，拉伸速率越快，試樣的抗拉強(qiáng)度越小、斷裂壽命越短、應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性越大。

2.3.2 陰極極化對(duì)10＃鋼應(yīng)力腐蝕敏感性的影響

試驗(yàn)測(cè)得該試樣在油罐底水介質(zhì)中的自腐蝕電位是-658mV，分 別 給 試 樣 外 加-658、-1 000、-1 300、-500mV的陰極保護(hù)電壓，仍將試片置于油罐底水介質(zhì)中拉伸，拉伸速率保持0.000 1mm／s，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 相同拉伸速率不同電位下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可得出：在陰極極化條件下，該材料——介質(zhì)體系在自腐蝕電壓（-658mV）的電位下斷裂壽命最長(zhǎng)，其應(yīng)力腐蝕敏感性最小、抗拉強(qiáng)度最大、應(yīng)變量也最大。在比自腐蝕電壓更正的-1 300、-1 000mV的電位下，也能激發(fā)10＃鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。

圖2和圖3分別為材料——介質(zhì)體系在不同外加電位下的斷裂壽命曲線和不同外加電位下的斷面收縮率曲線。

圖2 不同外加電位下的斷裂壽命

圖3 不同外加電位下的斷面收縮率

由圖2、3可以得出，外加陰極保護(hù)電壓能夠適當(dāng)?shù)匾种其摬牡膽?yīng)力腐蝕。材料——介質(zhì)體系在自腐蝕電壓的電位下陰極保護(hù)程度最大，試樣的斷裂壽命最長(zhǎng)，斷面收縮率最大，體系的應(yīng)力腐蝕敏感性最小，最不容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

3 結(jié)束語

在柳屯原油庫(kù)油罐罐底介質(zhì)條件下，罐底鋼材具有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性，由于介質(zhì)環(huán)境為弱酸性，結(jié)合試樣裂紋可以推斷其裂紋是氫致開裂引起的穿晶型應(yīng)力腐蝕開裂。在陰極極化條件下，該材料——介質(zhì)體系在自腐蝕電壓的電位下斷裂壽命最長(zhǎng)，其應(yīng)力腐蝕敏感性最小、抗拉強(qiáng)度最大、應(yīng)變量也最大。所以在對(duì)油罐罐底進(jìn)行陰極保護(hù)防腐時(shí)，應(yīng)選擇罐底鋼材的自腐蝕電位Ecorr為最佳保護(hù)電位值。

［1］韓忠英，薛世峰，黃小光.陽極溶解型應(yīng)力腐蝕點(diǎn)蝕演化的能量原理［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，36（4）：144-148.

［2］戴訓(xùn)，趙文金.鋯合金碘致應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)研究方法概述［J］.中國(guó)材料科技與設(shè)備，2007（6）：20-25.

［3］辛艷萍.柳屯原油庫(kù)油罐腐蝕機(jī)理研究［D］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，2007：59-61.