慢應(yīng)變拉伸法研究油罐罐底的應(yīng)力腐蝕特性

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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)裂的機(jī)理［1］，可將其分為氫致開(kāi)裂型（HE）和陽(yáng)極溶解型（AD）兩大類(lèi)。如果陽(yáng)極溶解即鋼材的腐蝕對(duì)應(yīng)的陰極反應(yīng)是析氫過(guò)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(chēng)為氫致開(kāi)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(guò)程，但是釋放出的的氫原子太少，不足以引起鋼材的氫致開(kāi)裂，鋼材裂紋的形成與擴(kuò)展都是由陽(yáng)極溶解控制的，這種應(yīng)力腐蝕就稱(chēng)為陽(yáng)極溶解型應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(lái)的。一開(kāi)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(kāi)裂敏感性的影響，近年來(lái)開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)裂過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)程是將試樣固定在拉伸機(jī)上，通過(guò)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(zhuān)門(mén)的控制儀器、儀表以及試驗(yàn)容器［3］。

假設(shè)在試驗(yàn)過(guò)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(kāi)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(xiàn)，以及在空氣中拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。

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(xiàn)。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(xiàn)

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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(xiàn)和不同外加電位下的斷面收縮率曲線(xiàn)。

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(yǔ)

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(kāi)裂引起的穿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(yáng)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(kāi)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.