石油管线腐蚀研究——应力腐蚀裂纹扩展.pdfVIP

事件背景：  “11 ·22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸事故七日之后，在离爆炸地点斋堂岛街 10 余公里 的一家酒店，已有来自国家安监局、公安部门、石油系统和研究机构的 50 余名专家陆续加 入调查工作。卷入事件的地方政府和中石化公司人员不断往来酒店，送来图纸和材料。  爆炸事故的直接机理是输油管线与排水暗渠交汇处的管线腐蚀严重，引起原油泄漏，流 入暗渠，空气和原油在密闭空间里混合。在原油泄漏后，救援处置中违规操作触发了爆炸。  调查组专家初步讨论认为，在应急作业时，相关企业违规使用非防爆电器，并且很可能 也没有对施工环境进行油气指标检测，因此没有有效防范措施。该管道区段附近有下水道穿 过，将两者隔离后，管道通过的排水暗渠，形成了密闭空间。    石油管线 H2S 应力腐蚀研究    “石油管线腐蚀开裂，引起原油泄露”。腐蚀对石油管线造成的失效问题已不容忽视。通过 分析腐蚀介质（硫化氢）环境腐蚀原理的基础上，介绍了硫化氢介质中石油管线的典型破坏 类型，综合阐述了石油管线硫化氢腐蚀的主要影响因素，指出硫化氢腐蚀是多种因素协同作 用的结果。最后针对石油管线腐蚀介质（硫化氢腐蚀）的主要破坏类型，提出了对腐蚀研究 的建议。    关键词：石油管线；硫化氢腐蚀；氢鼓泡、氢致开裂；硫化物应力腐蚀开裂，应力腐蚀疲劳， DCPD 系统，裂纹扩展速率    1 前言  近年来我国原油消耗不断提高，从国外进口原油数量不断增加，而国外原油尤其是中东原油 中硫含量较高。因此，石油管线面临着越来越严重的硫腐蚀问题。其中，以 H2S 腐蚀最为 普遍。一般而言，干 H2S 气体无腐蚀性，而湿 H2S 或与酸性介质共存时，腐蚀速度会大大 增加。  在湿 H2S 腐蚀环境中，H2S 电离过程如下：    钢在湿 H2S 介质中发生电化学反应：  阳极反应：  阴极反应： 渗透到管线中  总反应：  钢材受到 H2S 腐蚀后产物是硫化亚铁。其结构通常有缺陷，且与钢铁表面的粘结力差，还 能够与钢铁基体构成一个活性的微电池，对管线钢基体继续进行腐蚀。     2 H2S 腐蚀类型  2.1 全面腐蚀  H2S 引起的管线的全面腐蚀可以是使整个金属表面均匀地减少厚度，也可以使金属表面凹凸 不平。当金属表面遭受到 H2S 的全面腐蚀时，表面会有黑色硫化物腐蚀产物沉积。管线在 湿 H2S 中的腐蚀速度与钢铁表面上粘附的硫化物腐蚀产物组成和结构（见表1）有很大关系。  表 1 硫化铁腐蚀产物的组成和结构  组成 名称  结构 特性  Fe(1+x)S Mackanawite  正方晶系 质地疏松，最不稳定；易溶解  Fe(1‐x)S Pyrrhotite 磁黄铁矿 六角晶系或单斜晶系  P‐型半导体，较难溶    1 / 5    Fe3S4 Greigite ‐‐ 不稳定  FeS2 Marcasite 白铁矿  正方晶系 ‐‐  FeS2 Pyrite 黄铁矿 立方晶系  P‐型或 N‐型半导体，最难溶，最稳定  Fe9S8 Kansite 立方晶系 不稳定，易溶  FeS Troilite 陨硫矿 ‐‐ 不稳定，极易溶解  2.2 氢鼓泡  氢鼓泡的形成必须具备两个主要条件，一是存在原子状态的氢，二是金属内部存在“空穴” 。 原子状态的氢来源于湿 H2S 对石油管线钢材表面的腐蚀，而钢材内部的“空穴”则来源于钢材 的冶金缺陷和制造缺陷。腐蚀过程中析出的氢原子向钢中扩散，在钢材的非金属夹杂物、分 层和其他不连续处易聚集形成分子氢，由于氢分子较大难以从钢的组织内部逸出，从而形成 巨大内压导致其周围组织屈服，形成表面层下的平面孔穴结构造成氢鼓泡，其分布平行于钢 板表面。氢鼓泡的发生无需外加应力，且与材料中的夹杂物缺陷密切相关。  2.3 氢致开裂  氢致开裂的表观形式多种多样，氢在断裂过程中的作用非常复杂。多年来虽然对氢致开裂机 理进行了很多研究。但是一直没有一种理论能够圆满解释所有氢致开裂现象，其中很多学者 倾向于氢内压理论和氢吸附理论。  氢内压理论通常用来解释金属材料内部氢脆的机理，对于解释钢中的白点问题很有说服力， 也可以用来解释钢在无外应力条件下 H2S 环境中所形成的氢致裂纹。氢内压理论认为只有当