管道钢在富含硝酸盐土壤中的SCC敏感性模拟

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.05.012 第23卷第5期 北京科技大学学报 Vol.23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2001 管道钢在富含硝酸盐土壤中的 SCC敏感性模拟 曹备吴荫顺 北京科技大学商蚀与防护中心，北京100083 摘要研究了16M血钢在硝酸盐溶液中的SCC敏感性.结果表明，提高温度可以显著地增 强SCC敏感性：外加电位极化将可促进（阳极极化）或抑阻（阴极极化）其SCC过程.表明16Mm 钢对硝酸盐环境具有明显的SCC敏感性，且是受电化学过程控制的. 关键词16Mn钢；硝酸盐；SCC;电化学极化 分类号 TG172.9 埋地钢制管道在其服役过程中有时遭受到 尺寸见图1.为获得均一表面，试验前把试样的 意外腐蚀破坏而产生严重的失效事故)管线 /3.5 电解抛光 钢受点腐蚀而导致穿孔泄漏的现象已为世人熟 M6 知.管线钢由于涂层破损、开裂起翘而引起的缝 0 K25 隙腐蚀也已经进行了许多研究，获得了一些有 140 意义的研究结果.近些年来，人们开始注意到 管线钢的应力腐蚀开裂(SCC)问题 图1SCC试样的构型与尺寸（单位：mm) 我国也曾发生一些天然气管线SCC断裂事 Fig.I Configuration and size of specimen for SCC 故，但研究很少.就国内外研究现状而言，有许 experiments 多问题应予以开展研究，如对于不同输送压力 标距部分在H,POCO,溶液中电解抛光，然后 等级、不同管线钢以及不同的环境土壤（尤其是 去油除污洗净干燥，置于干燥器中备用. 在城市条件下)，它们的SCC敏感性问题.我们 选择lmol/L NaNO,溶液作为实验溶液，以 的实际测量结果表明，北京市土壤中含有多种 模拟富硝酸盐土壤的环境 可计量的盐类，如碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、氯盐 12试验装置与方法 等；此外，排废和采用氮肥等而提高了土壤中 采用慢应变速率SCC试验(SSRT),经预备 的硝酸盐含量.显然，世界各地的土壤环境的化 试验选择应变速率为1×10-s'.测定SSRT试验 学组成是复杂多变的.本文选择16Mn钢（一种 后的试样断裂寿命t和断面收缩率平：在金相显 管道钢)在NaNO,水溶液（模拟富硝土壤体系） 微镜下观察SCC试样的组织变化、SCC裂纹的 中，研究其SCC敏感性和SCC机理. 萌生和扩展特征，以5条最长裂纹计算最大裂 纹平均扩展速率a。；动电位极化曲线的扫描速 1试验 率为20 mV/min..用PS-1型恒电位/恒电流仪对 SCC试验体系外加极化电位. 1.1试样与溶液 试验材料为16Mn钢热轧板.化学成分为 2结果与讨论 （质量分数，%)：C-0.18,Si0.49,Mn-1.50,P 0.013,S0.22,Fe余量.应力腐蚀试样构型和 2.1温度对SCC敏感性的影响 图2示出了16Mn钢/NaNO,(1moL)体系 收稿日期200102-23曹备男，36岁，讲师，博士 在不同温度下经SSRT试验后的试样断裂寿命 *北京市自然科学基金资助课题(No.2992021,No.3012008)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 扮 钧 。 管道钢在富含硝酸盐土壤 中的 敏感性模拟 曹 备 吴 荫顺 北京科技大学腐蚀与防护中心 ， 北京 摘 要 研究 了 钢在硝酸盐溶液 中的 敏感性 结果 表明 ， 提高温度可 以显 著地增 强 敏感性 外加 电位极化将可促进 阳极极化 或抑阻 阴极 极化 其 过程 表明 钢对硝酸盐环境具有 明显 的 敏感性 ， 且 是受电化学过程控制的 关挂词 钢 硝酸盐 电化学极化 分 类号 埋地钢制管道在其服役过程 中有时遭受到 意外腐蚀破坏而产生 严重 的失效事故 ‘切 管线 钢受点腐蚀而导致穿孔泄漏 的现象已 为世人熟 知 管线钢 由于涂层破损 、 开裂起翘而引起的缝 隙腐蚀也 已 经进行 了许多研究 ， 获得 了一些 有 意义 的研究结果【 近 些年来 ， 人们开 始注 意到 管线钢 的应力腐蚀开裂 问题 我 国也 曾发生一些天然气管线 断裂事 故 ， 但研究很少 就 国 内外研究现状而 言 ， 有许 多 问题应 予 以 开展研究 ， 如对 于 不 同输送压力 等级 、 不 同管线钢 以及不 同的环境土壤 尤其是 在城市条件下 ， 它们 的 敏感性 问题 我们 的实际测量结果表明 ， 北京市土 壤 中含有 多种 可计量 的盐类 ， 如碳酸盐 、 硝酸盐 、 硫酸盐 、 氯盐 等 此外 ， 排废和 采用 氮肥 等而提 高 了 土壤 中 的硝酸盐含量 显然 ， 世界各地 的土壤环境 的化 学组成是复杂多变 的 本文选 择 钢 一种 管道钢 在 ，水溶液 模拟 富硝 土壤体系 中 ， 研究其 敏感性 和 机理 尺 寸见 图 为获得均一表面 ， 试验前把试样 的 电解抛光 试验 试样与溶液 试验材 料 为 钢热轧板 化学成分为 质量分数 ， 一刁 ， 一刃 ， 一 ， 一习 ， 一习 ， 余量 应力腐蚀试样构 型 和 收稿 日期 刁 曹备 男 ， 岁 ， 讲师 ， 博士 北 京市 自然科学基金资助课题 ， 一 圈 试样的构型 与尺 寸 单位 啥 · 往 恤 碑 标距部分在 月曰 旧 溶液 中电解抛光 ， 然后 去 油除污洗净干燥 ， 置 于 干燥器 中备用 选 择 。 比 ， 溶液作为实验溶液 ， 以 模拟 富硝酸盐土壤 的环境 试验装 与方法 采用 慢应变速率 试验 ， 经预备 试验选择应变速率为 一 一 ’ 测定 试验 后 的试样断裂寿命 和 断面收缩率 只 在金 相显 微镜下 观察 试样 的组织变化 、 裂纹 的 萌生 和 扩展特征 ， 以 条最 长 裂纹计算最 大裂 纹平均扩展速率 。 动 电位极 化 曲线 的扫描速 率为 用 一 型 恒 电位 恒 电流仪对 试验体系外加 极化 电位 结果与讨论 温度对 敏感性的影响 图 示 出 了 钢 比 体系 在不 同温度下 经 试验后 的试样 断裂寿命 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．05．012

VoL.23 No.5 曹备等：管道钢在富含硝酸盐土壤中的SCC敏感性模拟 433 tr、断面收缩率平，和最大裂纹平均扩展速率a。随 而a则增大，表明提高温度增强了16Mn钢的 试验温度的变化关系，金相检测结果表明，在各 SCC敏感性. 试验条件下材料均发生了典型的沿晶应力腐蚀 试样的SCC裂纹形貌特征表明，随实验温 开裂IGSCC).随实验温度升高，和平均减小， 度升高，IGSCC裂纹扩展越深，也变得更为粗 大，如图3所示.SCC裂纹像楔形缝隙，由于闭 80r 25 塞电池和自催化机理的作用，裂纹内溶液富集 70 20n 侵蚀性阴离子（此处应为NO),且将溶液酸化和 15 使pH值下降；这种侵蚀性很强的裂纹内溶液强 号0 是60 10 .0W 烈地腐蚀裂纹侧壁和裂尖处的金属材料，促进 40 0 5 裂纹向前和向两侧发展（图4），从而导致粗大的 40 SCC裂纹生成. 30L 0 25 50 15 90 2.2电位对SCC敏感性的影响 t℃ 对16Mn钢在lmol/L NaNO,溶液(75℃)中 图216Mn钢SCC试样的断裂寿命、断面收缩率平和 的体系进行SSRT试验，恒电位控制试样的电极 最大裂纹平均扩展速率a,随温度t的变化关系.1molL 电位Em为-100,0,100,200，以研究阳极极化和 NaNO,SSRT,1×10s' Fig.2 Relation between fracture timereduction ratio of 阴极极化对SCC过程的影响.图5给出了SCC fracture area maximum average propagation rate of 试样x,平和a。与电极电位的关系曲线. cracks ao and temperature t for steel 16Mn in 1 moVL Na 结果表明，随电极电位正移使和平减小， N0,SSRT,1×10gt 而a,则增大.说明外加正电位的阳极极化增大 50r 图316Mn钢在(a)25℃，b)50℃，(c)75℃，(d)90℃的1 mol/L NaN0,溶液中IGSCC裂纹形貌，SSRT,1×10g', Fig.3 The morphology of IGSCC cracks on the cross-section of steel 16Mn specimem after SSRT in 1 molL NaNO, of different temperature 1x10s 80「 80 30 60 60 540 40 09 20L 20 0 -100 0 100 200 图416Mn钢SCC裂纹和基材显微组织.1moL E-Eom/mV NaNO,SSRT,1×10g',硝酸-乙醇溶液漫蚀 图516Mn钢SCC试样的，平和a,与外加电位的 Fig.4 SCC crack and microstructure in the matrix of 关系.1 moVL NaNO,SSRT,1×10s' steel 16Mn,1mol/L NaNO,,SSRT,1x10's,HNO,-etha- Fig.5 Relation between fracture time and elec- nol etched trode potential of steel 16Mn in I moVL NaNO,,SSRT,1 了16Mn钢的SCC敏感性.相反，随电极电位负 ×10g-1 移可使和平增大，而a,则减小，说明外加负电 速了SCC过程，使裂纹密度增大，裂纹扩展速 位的阴极极化可以抑阻SCC过程，显著降低 率加快；而阴极极化则显著地抑阻了SCC过程， 16Mn钢的SCC敏感性.图6为SSRT拉断试样 延缓甚至有可能停止SCC过程，结果表明， 的金相截面照片，从产生的IGSCC裂纹形貌随 16M血钢在硝酸盐溶液中的SCC机理是受电化 外加电位的变化来看，阳极极化的确显著地加 学过程控制的

·434· 北京科技大学学报 2001年第5期 50m 图616Mn钢在1 mol/L NaNO,溶液中于(a)-100mV,b)0mV,(c)100mV,(d)200mV经SSRT 试验的试样IGSCC裂纹形貌.1×10g',75℃ Fig.6 The morphology of IGSCC cracks on the cross-section of steel 16Mn specimem in 1 molL NaNO,after SSRT under different applied potentials 1x10s,750 C 3结论 Pipeline and Well Systems.Houston Texas:NACE Pub- lication,1990 16Mn钢在硝酸盐溶液中具有SCC敏感性. 2 Pickering H W.The Significance of the Local Electrod Po- 提高温度将显著增强SCC敏感性.外加阳极极 tential within Pits,Crevices and Cracks.Corrosion Sci- 化将促进16Mn钢的SCC过程，外加阴极极化 ence,1995,29(1:110 则可抑阻其SCC过程，这些结果说明，16Mn钢 3 Chin D T,Sabde G M.Current Distibution and Electro- chemical Environment in a Cathodically Protected Crev- 在硝酸盐溶液中的SC℃机理是受电化学极化 ice.Como3ion,1999,55(3:229 控制的. 4 Parkins R N.Conceptual Understanding and Life Predic- 参考文献 tion for SCC of Pipelines.Proceeding of Corrosion.In: Research Topical Symposia Part 1.Houston Texas:NACE 1 Asperger R G.Corrosion Control and Montioring in Gas Publication,1996 Simulation on the SCC Susceptibility of Pipeline Steel in Soil Rich in Nitrate CAO Bei,WU Yinshun Corrosion and Protection Center,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The SCC susceptibility of steel16Mn in nitrate solution was studied.The results showed that the steel 16Mn is more susceptible to SCC when the temperature increased and the polarization by applied po- tential will accelerate (anodic polarization)or retard(cathodic polarization)the process of SCC.The steel 16Mn is susceptible to SCC in nitrate environment,which is controlled by electrochemical process. KEY WORDS SCC susceptibility;steel 16Mn;nitrate;electrochemical polarization