慢应变拉伸法研究油罐罐底的应力腐蚀特性

辛艳萍，张 辉

（1.中国石油大学胜利学院 油气工程系，山东 东营257000；2.胜利石油管理局 胜利发电厂，山东 东营257087）

1 油罐应力腐蚀的基础理论

1.1 应力腐蚀特性

原油油罐在服役过程中由于应力的存在及特定的腐蚀环境，一些具有应力腐蚀敏感性的钢材料极易发生应力腐蚀开裂。油罐罐底所承受的应力比较复杂，长期的应力拉伸下，处于罐底水环境的油罐罐底就会发生应力腐蚀开裂，使得保护涂层和阴极保护失效，导致罐底钢材的全面腐蚀加剧。根据钢材在介质中应力腐蚀的形态，将应力腐蚀分为穿晶型应力腐蚀（TGSCC）和沿晶型应力腐蚀（IGSCC）。其中，穿晶型应力腐蚀在近中性溶液中发生，而沿晶型应力腐蚀则发生在高pH值溶液中。

根据钢材应力腐蚀开裂的机理［1］，可将其分为氢致开裂型（HE）和阳极溶解型（AD）两大类。如果阳极溶解即钢材的腐蚀对应的阴极反应是析氢过程，且释放出的氢原子分散到钢材中并对钢材裂纹的形成与扩展起决定作用，这种应力腐蚀就称为氢致开裂型应力腐蚀；如果钢材的腐蚀对应的阴极反应是析氢过程，但是释放出的的氢原子太少，不足以引起钢材的氢致开裂，钢材裂纹的形成与扩展都是由阳极溶解控制的，这种应力腐蚀就称为阳极溶解型应力腐蚀。

应力腐蚀开裂的影响因素分别是：应力、环境、材料。油罐罐底在服役过程中所受应力情况十分复杂；由于长期处于罐底水的环境中，受罐底水中的酸度、矿化度和盐度的影响，其应力腐蚀敏感性很大，尤其是柳屯原油库的罐底水中Cl-的含量很高，很容易引起罐底的局部腐蚀，而局部腐蚀往往又是引起应力腐蚀的最基本前提，会增大罐底钢材的应力腐蚀开裂敏感性。因此，油罐在介质和应力的双重作用下必然会具有应力腐蚀倾向。在油罐的生产运行中，为延缓油罐罐底的腐蚀，经常对罐底实施阴极保护，而阴极极化电位大小也会影响应力腐蚀开裂的敏感性。

1.2 研究方法

目前，国内外研究应力腐蚀的方法主要有恒载荷法、恒位移法、慢应变速率法等［2］。其中，恒载荷法试样耗材多、周期长，其经济性比较差；恒位移法则对试验装置的要求非常高，操作起来也很复杂；而慢应变速率法克服了前两种方法的不足，且具有较大的优越性。一方面，慢应变速率法的应力腐蚀开裂敏感性较高；另一方面，用慢应变速率法可以定量地测量出钢材应力腐蚀敏感性的大小。

因此，本试验将采用慢应变拉伸法研究10＃钢材在柳屯原油库油罐底水介质条件下的应力腐蚀特性。

2 慢应变拉伸法（SSRT法）试验

2.1 原理

慢应变速率试验（SSRT）方法是由Henthorne和Parkins首创，并将其作为实验室试验方法发展起来的。一开始主要用于判断各种合金的组成成分和组织结构对其应力腐蚀开裂敏感性的影响，近年来开始逐步发展为研究钢材应力腐蚀的主要方法之一。

该方法的试验原理是，首先将受拉试样置于特定的腐蚀介质中，然后通过仪器设备对试样施加一个恒定不变的拉伸速率，在缓慢拉伸的过程中，由于试样的应变状态被强化，从而加速其应力腐蚀的过程。这种方法能够使试样在很短的时间内发生应力腐蚀开裂，从而确定材料的应力腐蚀敏感性。

在试样的应力腐蚀开裂过程中，对裂纹的产生和扩展起决定作用的不是应力而是拉伸速率。一般来说，当拉伸速率在10-4～10-7mm／s内时，钢材才能够发生应力腐蚀。通过电子金相研究可知，在此拉伸速率范围内，试样的裂纹尖端处于产生应力腐蚀开裂的临界平衡状态。

对于特定的材料——介质体系，其应力腐蚀开裂速率越快，所需的拉伸速率就越高。单轴拉伸是慢应变速率试验常用的加载方法，其过程是将试样固定在拉伸机上，通过一定的器械使试样的卡头以一定的拉伸速率缓慢拉伸，使试样缓慢地产生应变量，直至试样被拉断。试验机应具备以下条件：

（1）试验机能够重复地提供恒定不变的拉伸速率，速率范围为10-4～10-7mm／s；

（2）试验设备需要具备足够的刚度，在试样承受的载荷下，不会被拉变形；

（3）试验机上连接有数据输出装置和专门的控制仪器、仪表以及试验容器［3］。

假设在试验过程中，试样卡头的位移速度为恒慢速ΔL／Δt；用卡头的相对位移表示试样伸长量ΔL。则有

式中，ε为试样的工程应变量，%；ΔL为试样伸长量，mm；L0为试样初始标距长度，mm。

2.2 试验仪器和介质

该试验中采用的仪器设备为SCC-1型应力腐蚀测量仪。试样是厚度为2mm的10＃钢材试片，所用介质是现场采集的柳屯原油库油罐底水。

2.3 内容

2.3.1 拉伸速率对应力腐蚀开裂敏感性的影响

取3个试样，分别测量其在油罐底水中不同拉伸速率下的应力应变曲线，以及在空气中拉伸的应力应变曲线。

油罐底水中拉伸速率分别取0.000 1、0.000 041 mm／s，空气中拉伸速率保持为0.000 1mm／s。图1为10＃钢在不同拉伸速率、不同介质环境下的应力应变曲线。表1为不同介质、拉伸速率下的试验数据。

图1 10＃钢在不同介质、拉伸速率下的应力应变曲线

表1 不同介质、拉伸速率下的试验数据

由图1和表1可以看出，相同拉伸速率下，10＃钢在罐底水介质中的抗拉强度低于空气中的，介质中的应变量小于空气中的，介质中的断裂寿命低于空气中的，所以柳屯原油库的原油罐罐底钢材10＃钢在罐底水介质环境下具有应力腐蚀开裂敏感性。介质条件相同时，拉伸速率越快，试样的抗拉强度越小、断裂寿命越短、应力腐蚀破裂的敏感性越大。

2.3.2 阴极极化对10＃钢应力腐蚀敏感性的影响

试验测得该试样在油罐底水介质中的自腐蚀电位是-658mV，分 别 给 试 样 外 加-658、-1 000、-1 300、-500mV的阴极保护电压，仍将试片置于油罐底水介质中拉伸，拉伸速率保持0.000 1mm／s，试验数据见表2。

表2 相同拉伸速率不同电位下的试验数据

由表2可得出：在阴极极化条件下，该材料——介质体系在自腐蚀电压（-658mV）的电位下断裂寿命最长，其应力腐蚀敏感性最小、抗拉强度最大、应变量也最大。在比自腐蚀电压更正的-1 300、-1 000mV的电位下，也能激发10＃钢的应力腐蚀开裂。

图2和图3分别为材料——介质体系在不同外加电位下的断裂寿命曲线和不同外加电位下的断面收缩率曲线。

图2 不同外加电位下的断裂寿命

图3 不同外加电位下的断面收缩率

由图2、3可以得出，外加阴极保护电压能够适当地抑制钢材的应力腐蚀。材料——介质体系在自腐蚀电压的电位下阴极保护程度最大，试样的断裂寿命最长，断面收缩率最大，体系的应力腐蚀敏感性最小，最不容易发生应力腐蚀。

3 结束语

在柳屯原油库油罐罐底介质条件下，罐底钢材具有明显的应力腐蚀敏感性，由于介质环境为弱酸性，结合试样裂纹可以推断其裂纹是氢致开裂引起的穿晶型应力腐蚀开裂。在阴极极化条件下，该材料——介质体系在自腐蚀电压的电位下断裂寿命最长，其应力腐蚀敏感性最小、抗拉强度最大、应变量也最大。所以在对油罐罐底进行阴极保护防腐时，应选择罐底钢材的自腐蚀电位Ecorr为最佳保护电位值。

［1］韩忠英，薛世峰，黄小光.阳极溶解型应力腐蚀点蚀演化的能量原理［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2012，36（4）：144-148.

［2］戴训，赵文金.锆合金碘致应力腐蚀开裂试验研究方法概述［J］.中国材料科技与设备，2007（6）：20-25.

［3］辛艳萍.柳屯原油库油罐腐蚀机理研究［D］.东营：中国石油大学储运与建筑工程学院，2007：59-61.