郭崇曉，蔣欽榮，張燕飛，李華軍

（西安向陽航天材料股份有限公司，西安710025）

雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力腐蝕開裂失效原因分析

郭崇曉，蔣欽榮，張燕飛，李華軍

（西安向陽航天材料股份有限公司，西安710025）

為了促進雙金屬復(fù)合管線的合理設(shè)計、施工和應(yīng)用，分析了雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層的腐蝕失效類型，并對管道應(yīng)力腐蝕開裂條件、機理及斷口形貌進行了分析研究，明確了雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力腐蝕開裂的失效原因及判斷方法，指出了減少雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力腐蝕失效的途徑。研究表明，當(dāng)雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層材料選定后，降低應(yīng)力腐蝕開裂的途徑是降低殘余應(yīng)力和施工外力；定期對服役管線內(nèi)覆（襯）層進行無損檢測，確定失效部位并及時修補，是發(fā)揮管線最大使用壽命的重要手段。

雙金屬復(fù)合管；內(nèi)覆（襯）層；應(yīng)力腐蝕開裂；失效分析

雙金屬復(fù)合管作為一種功能性復(fù)合材料，充分發(fā)揮了內(nèi)覆（襯）層材料的耐蝕性能和基管的力學(xué)性能，以極高的性價比在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用并快速發(fā)展。我國新疆牙哈氣田的316L不銹鋼雙金屬復(fù)合管正常運行近十年，應(yīng)用范圍已擴展到儲氣庫、海上油氣田及化工等領(lǐng)域。與耐蝕合金相似，雙金屬復(fù)合管應(yīng)用過程中內(nèi)覆（襯）層也會發(fā)生失效，因此，進行雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層的失效原因分析，明確判斷及驗證方法，對指導(dǎo)雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層材料的選擇、管路設(shè)計、制造、施工、產(chǎn)品推廣和應(yīng)用極為重要。

1 雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層主要失效類型

雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層一般選用耐蝕合金材料，因此，耐蝕合金可能出現(xiàn)的失效問題在雙金屬復(fù)合管中同樣會出現(xiàn)。以奧氏體不銹鋼為例，在腐蝕環(huán)境中失效形式一般表現(xiàn)為全面腐蝕和局部腐蝕，并以局部腐蝕為主，局部腐蝕主要有5種類型。

（1）應(yīng)力腐蝕。雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層在腐蝕性環(huán)境中因應(yīng)力作用產(chǎn)生裂紋擴展而發(fā)生失效。應(yīng)力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌，裂紋有穿晶、晶間及混合3種形式。當(dāng)應(yīng)力腐蝕開裂擴展至一定深度時，內(nèi)覆（襯）層就會因裂紋而斷開，如圖1所示。

圖1 奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂實物照片

（2）點腐蝕。不銹鋼點腐蝕是由鈍化膜破壞所致，其形貌特征為：表面局部出現(xiàn)腐蝕凹坑，去掉凹坑表皮，部分可看到嚴重的腐蝕坑。

（3）晶間腐蝕。晶間腐蝕是沿著或緊挨著晶界發(fā)生的腐蝕。腐蝕發(fā)生后，外觀幾乎不會有任何變化，金相檢查時可看到晶界或鄰近地區(qū)發(fā)生的沿晶界均勻腐蝕，有時可看到晶粒脫落，掃描電鏡觀察斷口，可見冰糖塊狀形貌特征。

（4）疲勞腐蝕。疲勞腐蝕是受腐蝕介質(zhì)和交變（或脈動）應(yīng)力共同作用引起的失效。在交變應(yīng)力作用下，金屬晶格間產(chǎn)生滑移，破壞了金屬表面保護膜，在滑移處產(chǎn)生電化學(xué)微觀腐蝕，微觀腐蝕在交變應(yīng)力作用下發(fā)展成裂紋。形貌特征為：裂紋較小，斷口上有腐蝕產(chǎn)物、腐蝕坑和腐蝕溝等，斷口粗糙，沒有收縮減薄現(xiàn)象。

（5）縫隙腐蝕?？p隙腐蝕發(fā)生在雙金屬復(fù)合管焊縫連接處，內(nèi)襯管與基管縫隙處于同一介質(zhì)形成電位差，在縫隙內(nèi)或附近產(chǎn)生局部腐蝕?？p隙腐蝕在氯化物溶液中最為嚴重，且有自催化過程。

以上幾種局部腐蝕類型中應(yīng)力腐蝕開裂占首位，約為40%～60%，也是目前所知的破壞性最大的一類腐蝕。因此，本研究對雙金屬復(fù)合管內(nèi)襯管應(yīng)力腐蝕進行重點分析。

2 應(yīng)力腐蝕開裂機理及斷裂過程

應(yīng)力腐蝕（SCC）是指金屬材料在特定腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下所發(fā)生的脆性斷裂。導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的最低應(yīng)力遠小于過載斷裂應(yīng)力，而且斷裂前沒有大的塑性變形，因此會導(dǎo)致無先兆的災(zāi)難性事故。

2.1 應(yīng)力腐蝕開裂需具備的基本條件

導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的3個基本條件為：

（1）材料。合金比純金屬更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

（2）腐蝕介質(zhì)。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂與其所處的特定腐蝕介質(zhì)有關(guān)，而且介質(zhì)中能引起SCC的濃度一般很低。

（3）拉伸應(yīng)力。應(yīng)力一般為拉伸應(yīng)力，是工程應(yīng)力、殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力的疊加。工程應(yīng)力是設(shè)計所需要的，殘余應(yīng)力在制造和裝配過程中都會產(chǎn)生。多數(shù)情況下，僅殘余應(yīng)力就足以產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，一般以殘余應(yīng)力為主，約占應(yīng)力腐蝕事故的80%。

金屬材料承受的拉應(yīng)力愈小，斷裂時間愈長；應(yīng)力腐蝕可在極低的應(yīng)力下（如屈服強度的5%～10%或更低）產(chǎn)生。

2.2 應(yīng)力腐蝕斷裂過程

應(yīng)力腐蝕斷裂是材料在應(yīng)力和環(huán)境共同作用下，經(jīng)過孕育期產(chǎn)生裂紋，然后裂紋逐漸擴展，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強度因子KI達到材料斷裂韌性KIC時，發(fā)生失穩(wěn)斷裂。在應(yīng)力腐蝕系統(tǒng)中，應(yīng)力和腐蝕的作用相互促進，并非簡單疊加。SCC腐蝕過程分為孕育期、裂紋擴展期和失穩(wěn)斷裂3個階段。

（1）孕育期。孕育期是在金屬無裂紋和無孔蝕缺陷時裂紋的萌生階段，即裂紋源形成所需時間。孕育期長短取決于合金性能、腐蝕環(huán)境以及應(yīng)力大小，一般約占總斷裂時間的90%左右。

（2）裂紋擴展期。裂紋成核后直至發(fā)展到臨界尺寸所經(jīng)歷的時間。裂紋擴展主要由裂紋尖端的電化學(xué)過程控制，裂紋擴展速度介于沒有應(yīng)力下腐蝕破壞速度和單純的力學(xué)斷裂速度之間，一般為 0.5～10 mm/h。

（3）失穩(wěn)斷裂。由純力學(xué)因素控制，擴展速度隨應(yīng)力增大而加快，直至斷裂。圖2為奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂、擴展、貫通直至斷裂照片。

圖2 應(yīng)力腐蝕裂紋貫穿斷裂照片

3 應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素及控制途徑

3.1 應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素

3.1.1 介質(zhì)

引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)有多種，但主要以 Cl-和 H2S為主。隨著ρ（Cl-）的增加，內(nèi)襯管材料應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增強。

試驗結(jié)果表明，臨界ρ（Cl-）隨材料、介質(zhì)環(huán)境不同而不同。對于Cr-Ni不銹鋼，Logan和wiilims認為在特定條件下，水中ρ（Cl-）達到5×10-6就會導(dǎo)致斷裂；Birchon等則認為，水中ρ（Cl-）達到（0.2～1）×10-5就能引起斷裂。 而實際應(yīng)用中， 溫度 80～90 ℃，飽和氧條件下， 水中 ρ（Cl-）≤1×10-6時，18-8型不銹鋼長期使用后也會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂。

在H2S和水介質(zhì)中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂所需ρ（H2S）很低，甚至在小于1×10-6時也會發(fā)生，其裂紋較粗，分支較少，多為穿晶型，也有晶間型或混合型。

當(dāng)Cl-和H2S同時存在時，對應(yīng)力腐蝕破裂有明顯的促進作用，而且隨著ρ（Cl-）提高，酸性增大，溫度升高及電位正移，奧氏體不銹鋼在H2S溶液中的破裂傾向增大。

3.1.2 溫度

隨著溫度的升高，奧氏體不銹鋼在介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕破裂敏感性增加，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的時間便縮短，如圖3所示。

圖3 不同溫度下316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)與 ρ（Cl-）的關(guān)系

3.1.3 應(yīng)力

（1）破壞鈍化膜。不銹鋼表面鈍化膜可強化基體，阻止位錯運動，但在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生滑移會使鈍化膜破裂并暴露出新生的裸金屬面，應(yīng)力的存在可阻止鈍化膜再形成。

（2）加速Cl-吸附。隨著不銹鋼所受應(yīng)力的增加，表面Cl-的吸附量亦增加，因此應(yīng)力增加，應(yīng)力腐蝕敏感性提高。

（3）加速陽極溶解過程。不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋尖端應(yīng)力集中足夠大時可被機械拉開，從而在沒有保護膜以及應(yīng)力不斷破壞裂紋尖端鈍化膜的情況下，使腐蝕溶解過程加速。

3.2 降低雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層材料應(yīng)力腐蝕的途徑

3.2.1 雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層在應(yīng)用中的受力分析

雙金屬復(fù)合管在應(yīng)用中介質(zhì)已確定，應(yīng)用環(huán)境、內(nèi)覆（襯）層材料一旦選定，介質(zhì)與材料就無法改變，此時降低內(nèi)襯管材料應(yīng)力腐蝕的途徑就是降低殘余應(yīng)力和外力，各種力的表現(xiàn)形式如下：

（1）殘余應(yīng)力。復(fù)合管加工完成，不受外部因素作用時，內(nèi)襯管材料內(nèi)部為保持平衡所產(chǎn)生的應(yīng)力。殘余應(yīng)力主要來源于冷加工成形以及焊接時所引起的內(nèi)應(yīng)力，是應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素。

（2）工作應(yīng)力。內(nèi)襯管承受外加載荷造成的應(yīng)力，即復(fù)合管工作時所承受的內(nèi)外壓形成的應(yīng)力。

（3）熱應(yīng)力。雙金屬復(fù)合管應(yīng)用過程中由于管道內(nèi)外溫度差或環(huán)境溫度變化造成內(nèi)襯管的應(yīng)力。

（4）結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由于地形、管路走向及裝配焊接等原因在管道鋪設(shè)過程中產(chǎn)生彎曲等造成內(nèi)襯管不同部位承受的外力。

3.2.2 降低雙金屬復(fù)合管內(nèi)襯管應(yīng)力腐蝕的途徑

（1）選擇合適的內(nèi)覆（襯）層材料。雙金屬復(fù)合管在使用過程中環(huán)境復(fù)雜，介質(zhì)成分、溫度、壓力、含沙量及流速等不盡相同，選材時不但要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考經(jīng)驗資料，同時須進行模擬工況對比試驗，以確定最合適的材料。

（2）降低制造過程中雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層材料應(yīng)力。對于內(nèi)襯雙金屬復(fù)合管，必須在內(nèi)襯管制造及內(nèi)襯復(fù)合過程中對其殘余應(yīng)力加以控制或消除。內(nèi)覆雙金屬復(fù)合管由于制造工藝不同，內(nèi)覆層材料殘余應(yīng)力相差非常大，因此要根據(jù)離心鑄造、堆焊及卷制焊接工藝的不同，在各工序采用不同的熱處理方法降低內(nèi)覆層殘余應(yīng)力。

（3）合理設(shè)計和施工。根據(jù)管路工作壓力、走向、地形及溫度變化進行管路設(shè)計，防止金屬復(fù)合管在鋪設(shè)時因彎曲過大、工作壓力或熱應(yīng)力造成內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力增加。制定合理的施工工藝，避免因焊接等施工方法不當(dāng)造成局部受力過大。

4 雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力腐蝕開裂形式及分析方法

4.1 內(nèi)覆及內(nèi)襯雙金屬復(fù)合管耐蝕層失效形式

（1）內(nèi)覆雙金屬復(fù)合管基覆層之間形成了冶金界面，與內(nèi)襯復(fù)合管不同，內(nèi)覆層發(fā)生腐蝕開裂時即使貫通也很難出現(xiàn)覆層脫落，但因形成電位差加之內(nèi)覆層開裂，腐蝕速率會加快，直到出現(xiàn)泄漏時才會發(fā)現(xiàn)。因此，內(nèi)覆復(fù)合管覆層發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂具有隱秘性，突發(fā)性更強，危害更大。

（2）內(nèi)襯雙金屬復(fù)合管因基襯管屬機械結(jié)合，襯層發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂時，即使裂紋貫通出現(xiàn)襯層脫落，管道仍可以使用，但此時失效段介質(zhì)已完全與基管接觸，基襯材料處于同一介質(zhì)中形成電位差，腐蝕會加快，必然引起失效段管道泄漏事故發(fā)生。

4.2 應(yīng)力腐蝕開裂分析與判斷

雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層發(fā)生失效有多種形式，原因也非常復(fù)雜，對于應(yīng)力腐蝕開裂，以內(nèi)襯雙金屬復(fù)合管為例，基本判斷分析方法如下。

4.2.1 裂紋性質(zhì)分析

（1）主裂紋形貌。主要觀察分析裂紋起源、形狀（如樹枝開叉）、裂紋尖端形式、裂紋附近有無塑性變形、開裂方式（穿晶、晶間、穿晶與晶間混合型斷裂），如圖4所示。

（2）裂紋斷口分析。宏觀分析包括裂紋走向、斷口是否脆斷、斷口表面有無腐蝕產(chǎn)物；微觀分析則是通過顯微鏡觀察斷口花紋形式。圖5為部分應(yīng)力腐蝕開裂斷口形式（河流、扇形、魚骨、羽毛狀）。

圖4 裂紋宏觀形貌

圖5 應(yīng)力腐蝕斷口形式

（3）裂紋金相組織分析。對不銹鋼內(nèi)襯斷口及其他部位進行金相分析，并與選材時金相分析結(jié)果對比，確定內(nèi)襯管在制造及應(yīng)用過程中金相組織及碳化物的變化，如圖6所示。

圖6 裂紋金相分析

通過對裂紋形貌、斷口特征、斷口腐蝕產(chǎn)物微觀形貌與典型的奧氏體不銹鋼失效形式對比，確定應(yīng)力腐蝕的特征。

4.2.2 裂紋成因分析

（1）環(huán)境因素。主要包括介質(zhì)成分、溫度及管道所處狀態(tài)等。

（2）力學(xué)因素。包括內(nèi)覆（襯）層殘余應(yīng)力、管道工作應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力及組織應(yīng)力等。

（3）金相組織。通過金相組織分析，確定組織是否發(fā)生變化并影響材料耐蝕性能。

4.3 雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層失效分析判斷方法

通過對雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力腐蝕機理、成因及裂紋性質(zhì)的分析研究，可歸納出雙金屬復(fù)合管內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力腐蝕開裂分析判斷的基本方法。

（1）裂紋性質(zhì)判斷。包括：①觀察斷口是塑性開裂還是脆性斷裂、裂紋有無分支、裂紋形狀；②通過微觀分析判斷裂紋開裂方式（穿晶、晶間、混合）；③通過能譜分析確定斷口金屬及非金屬物的化學(xué)成分；④對斷口及其附近材料進行硬度檢測，并與母材硬度對比分析；⑤對斷口及其附近材料進行金相分析，并與母材金相進行對比。

（2）失效原因確定。根據(jù)初步判斷內(nèi)覆（襯）層裂紋的性質(zhì)，結(jié)合奧氏體不銹鋼相關(guān)腐蝕理論及產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境確定失效原因及影響因素。

（3）通過試驗，對內(nèi)覆（襯）層失效原因進行驗證。

5 結(jié) 論

（1）雙金屬復(fù)合管在應(yīng)用過程中，內(nèi)覆（襯）層在所處介質(zhì)環(huán)境中都會受到不同程度的腐蝕，當(dāng)內(nèi)覆（襯）層材料為奧氏體不銹鋼時，產(chǎn)品制造及施工應(yīng)用中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力和外力，應(yīng)力腐蝕開裂難以避免，因此，應(yīng)盡可能降低產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險或延緩其發(fā)生時間。

（2）根據(jù)雙金屬復(fù)合管設(shè)計及應(yīng)用情況，當(dāng)內(nèi)覆（襯）層材料選定后，降低應(yīng)力腐蝕開裂的途徑是降低殘余應(yīng)力和施工外力。內(nèi)覆（襯）層殘余應(yīng)力的降低可根據(jù)復(fù)合管制造工藝增加不同的工序來消除或降低，在管道施工或應(yīng)用過程中因承受外載荷會使內(nèi)覆（襯）層受力，要根據(jù)管線實際情況進行合理設(shè)計、施工和應(yīng)用。

（3）內(nèi)覆（襯）層發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂失效不同于全面腐蝕，因此，對服役管線內(nèi)覆（襯）層的定期無損檢測顯得極為重要。若一旦出現(xiàn)內(nèi)覆（襯）層應(yīng)力腐蝕開裂或碎片掉落，應(yīng)立即停止運行，檢測并確定失效部位，直至修復(fù)完成后才可繼續(xù)運行，從而發(fā)揮管線的最大性能和增長使用壽命。

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Stress Corrosion Cracking Failure Analysis on Bimetal Composite Pipe Lining Layer

GUO Chongxiao,JIANG Qinrong,ZHANG Yanfei,LI Huajun
（Xi’an Sunward Aeromat Co.,Ltd.,Xi’an 710025,China）

In order to improve the reasonable design,construction and application of bimetal composite pipe,in this article it analyzed the corrosion failure type of bimetal composite pipe lining layer,and also analyzed pipeline stress corrosion cracking conditions,mechanism,and fracture morphology.It determined the failure reason and judgment method,and pointed the method of reducing stress corrosion failure of bimetal composite pipe.The research results indicated when the lining layer material of bimetal composite pipe is selected;reducing residual stress and construction external force are the only way to reduce stress corrosion cracking.It also pointed the regular non-destructive detection of service pipeline lining layer,determining failure location and in time repair are the important ways to extend pipeline service life.

bimetal composite pipe;lining layer;stress corrosion cracking;failure analysis

TG335.83

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.008

郭崇曉（1964—），男，研究員，主要從事金屬復(fù)合材料及相關(guān)產(chǎn)品的研究、開發(fā)與應(yīng)用。

2015-11-19

李 超