西安石油大学本科论文 表 1-2 部分 X80 管线钢管产品的化学成分(质量分数，%)
Table1-2 Chemical compositions of some X80 steel tubes (mass%)
X80 管线钢不但通过微合金化保证钢材的性能，而且还要通过控轧控冷工艺获得优良的性能。控轧就是定量、预定程序地控制热轧钢的形变参数、终轧温度以及冷却时的轧制工艺，从而获得最佳的细化晶粒和第二相均匀分布的组织状 态，有效的改善钢的性能。
X80 管线钢的典型组织为针状铁素体或低碳贝氏体。针状铁素体钢（一般C≤0.06%）的特点是，针状铁素体组织中含碳量低，铁素体板条相界面不存在碳化物。同时由于转变温度低，晶内位错密度高。这类钢具有比铁素体-珠光体型钢更好的焊接性能（Pcm≤0.20%）、抗 HIC 性能以及相当高的冲击韧性和断裂韧性，是现代高压输气管线的专用钢种。
高钢级管线钢管的使用，虽然降低了钢管自重，减少了野外焊接工作量，节约了管线工程建设成本，但同时对钢材提出了更高的性能要求：高的屈服应力；高韧性和低的脆性转变温度；良好的野外焊接性能；一定的耐腐蚀能力；良好的成型性；高的钢质纯净度。
1.2.3 X80管线钢的焊接技术
X80 的焊接方法主要包括焊条电弧焊、药芯焊丝半自动焊、熔化极气体保护自动焊以及以上几种方法的混合焊。其中药芯焊丝半自动焊和极化气体保护焊主要在主线路焊接中使用，焊条电弧焊则用于主线路返修和连头的焊接。由于 X80 钢的晶粒细小，在焊接热循环作用下，焊接热影响区（HAZ）会发生相变、晶粒粗化、再结晶等现象，使
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西安石油大学本科论文 得线能量对 HAZ 软化有较大的影响。焊接线能量越大，软化区范围就越宽。另外，母材的强度和成分对 HAZ 软化也有一定的影响，当钢中含铌、钒、钛等微合金元素时，软化区宽度会变窄。焊缝金属与母材强度匹配对管线钢的断裂行为有较大的影响，焊缝金属和母材屈服强度在选材上的差别是防止由焊缝金属缺陷引起的严重的塑性变形的重要手段。如果焊缝金属的强度高于母材，那么母材就有可能发生屈服；如果焊缝金属的强度低于母材，屈服就不会发生在管道上，焊缝金属会发生应变，这就要求焊缝具有更高的韧性，从而防止裂纹在缺陷处产生。一般来说，焊缝金属强度应该高于母材。因此，管线钢的级别越高，焊缝金属与母材的匹配也就越困难。 1.2.4 X80管线钢焊接热影响区组织
在焊接过程中，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域被称为焊接热影响区（HAZ）。焊接热影响区附近各区域距离焊缝远近不同，各区域晶粒的焊接热循环不同，就会出现不同的组织，表现出不同的性能。因此，焊接热影响区是一个具有组织阶梯和性能阶梯的非均匀连续体。
如图 1 所示：焊接热影响区组织按照其所晶粒的热循环的差异，分为熔合区、过热晶粒区、相变重结晶去、不完全结晶区、时效脆化区等五个区域。
图 1 焊接热影响区组织
（1） 熔合区是焊缝与基体组织的交界区。由于焊接过程中，这个部分的金属被加热到 熔化状态，奥氏体达到过热温度以上，故组织中包含了铸造组织，且形成粗晶区， 这个区域的塑性和冲击韧性很差，虽然在整个区域中很窄，但对焊接接头的性能
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西安石油大学本科论文 具有很大的影响。
（2） 过热晶粒区的金属被加热到奥氏体过热温度，形成晶粒粗大的奥氏体过热组织，
冷却后得到粗晶粒组织，使得塑性和冲击韧性大幅度降低，当钢中碳含量和合金元素较高时，这一区域的力学性能更差
（3） 相变重结晶区又称为完全结晶区。这个区域的金属被加热到稍高于A3线以上到 1100℃，此区域的金属经历了由 α→γ 及 γ→α 的两次相变，故晶粒细小，力学 性能较好。
（4） 不完全结晶区又被称为不完全正火区。加热温度在 Acl-Ac3之间。由于只有一部
分组织发生了相变重结晶，因此该区域在由发生相变的细小组织和未发生相变的组织构成，组织不均匀，力学性能比相变重结晶区差。
（5） 时效脆化区只在低碳钢中发现，一般情况下，在低于 Ac1的温度对母材的组织不
产生实质性的影响。
2. X80管线钢的应力腐蚀断裂
2.1 管线钢应力腐蚀破裂的特点
应力腐蚀破裂（Stress Corrosion Cracking SCC）是金属材料在应力和腐蚀介质的联合作用下，产生的一种低应力脆断现象。应力腐蚀破裂影响因素众多，它是环境、力学、冶金等众多因素交织在一起，属于交叉学科，需要运用断裂力学、断裂物理和电化学及材料学等方面的基础知识进行深入研究。到目前为止，应力腐蚀破裂机理仍在不断发展。因此需要进行更深入的研究，才能发展新的应力腐蚀破裂机理，从而找出有效防止应力腐蚀破裂的方法。
输油气管道的应力腐蚀破裂现象国内外均有发生，1965 年至 1985 年间，美国累计有 250 多条管线发生了起源于外表面的应力腐蚀开裂，1995 年在俄罗斯的中、北部和西伯利亚地区相继发生了管道应力腐蚀开裂失效事故，且裂纹多位于防腐层缺陷处的金属表面。输油气管道所处的腐蚀环境主要为：内部为输送
油气中含有的硫化氢（HS2）、二氧化碳（CO2）等腐蚀介质；外部主要是潮湿土壤中的
-碳酸根离子（CO3）、碳酸氢根离子（HCO3）、硝酸根离子(NO3）、氢氧根离子（OH-）
2--等腐蚀介质。
输油气管道的服役条件多为潮湿环境，输送介质含硫化氢等酸性物质较多，管线钢在湿硫化氢环境中的应力腐蚀断裂，一直是许多学者的研究热点，并取得了卓有成效的工作。不同材料、热处理状态、金相组织对湿硫化氢环境中的应力腐蚀破裂敏感性不同。一般认为，强度级别越高，对硫化氢的应力腐蚀越敏感。材料的硬度与硫化氢应力腐蚀
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西安石油大学本科论文 的关系较大，硬度愈高，敏感性愈大。所以 NACE MR0175 推荐在酸性介质中，管线钢的硬度极限为 HV248 或 HRC22。硫化氢应力腐蚀裂纹从外观看无明显的均匀腐蚀痕迹，其形态呈稀松分布的网状或龟裂状，常产生大量分叉，并沿大致垂直于影响其产生及扩展的应力方向上连续扩展。深入到金属内部的应力腐蚀裂纹，就如植物根须一样由表面向纵深发展。应力腐蚀的断口是典型的脆性断口。一般情况下，低碳钢、低合金高强度钢、黄铜、铝合金等大多属沿晶断裂，裂纹大致垂直于拉应力方向，由晶间向纵深发展，这类沿晶断裂在电镜下观察为冰糖状花样。
自20世纪60年代中期以来，世界各地油气管道不断发生管道外部应力腐蚀导致的管道断裂事故，其中绝大部分发生在输气管道上。
土壤介质引起的应力腐蚀可以分为高 pH SCC（IGSCC）和近中性pH SCC（TGSCC）两大类，前者为沿晶 SCC（IGSCC），后者为穿晶 SCC（TGSCC），二者的主要特征对比见表 1-3。前者已有 40 余年的研究历史，而后者是 1985年首次在加拿大发现，研究初步认为，溶解和渗氢是近中性 pH SCC 裂纹扩展的主要原因。这种近中性环境中管线的 SCC 问题除了在加拿大出现外，世界上其他国家如澳大利亚、伊朗、伊拉克以及沙特阿拉伯等也有发生，几年来，逐渐成为加拿大和其他国家腐蚀与防护科技工作者所关注的研究热点，目前近中性 pH SCC 的研究还不成熟。
表 1-3 近中性 pH 和高 pH SCC 的条件和特征
Table 1-3 Condition and character of SCC in near neutral pH values and high pH values
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2.2 管线钢应力腐蚀破裂的机理
2.2.1 硫化氢应力腐蚀开裂机理
应力腐蚀开裂是一个非常复杂的问题，裂纹只是腐蚀破坏的一种形式，许多腐蚀学家认为，每一种“材料-环境”的特定体系各有其特定的机理。最早的有电化学腐蚀和活性通道理论开始，到膜破裂理论、腐蚀产物楔入理论、氢脆理论、化学脆化—机械破裂两阶段理论、吸附理论和环境破裂三阶段理论等。近年来，又有许多学者提出了一些新的见解，如 Rebak 的沿晶界选择性溶解理论、Swan的溶解促进局部塑性变形从而导致应力腐蚀开裂理论，关于硫化氢应力腐蚀破裂机理，国内外做了大量工作，但由于影响因素太多，而且相互交错，迄今为止未曾获得统一的认识。就广义的 SCC 机理而言，主要分为两大类： （1） 阳极溶解机理
阳极溶解型应力腐蚀机理认为金属或合金浸泡在腐蚀介质中，其金属表面会形成一层钝化膜，如应力能使位错发生滑移，则滑移台阶将使表面膜局部破裂，局部地区(如裂尖)露出无膜的金属，裸露的金属相对于膜表面为阳极，膜为阴极，从而发生瞬时溶解。新鲜金属在溶液中会发生再钝化，钝化膜重新生成后，溶解(裂纹扩展)就停止，已经溶解的区域由于存在应力集中，因而使该处的再钝化膜再一次破裂，又会发生瞬时溶解，这种膜破裂—金属溶解—再钝化过程的循环重复，就导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展。
阳极溶解理论都包含电化学过程，但应力腐蚀过程中的一些现象，如环境的选择性，开裂临界电位与腐蚀电位的关系，断口形貌匹配等问题，用电化学理论不能合理的解释。为此 Uhlig 提出应力吸附开裂理论，他认为应力腐蚀断裂是由于裂纹尖端某些特殊离子对金属内表面的吸附，削弱了金属原子间的键合力，即金属表面能降低，在拉应力作用下促使金属开裂。这是纯机械开裂模型，这个模型的最大支持是许多纯金属和合金在液态金属中的脆断。应力吸附理论可以解释应力腐蚀的一些特征现象，但该模型不能解释吸附离子对位错的钉扎作用以及裂纹的孕育期等问题。根据阳极溶解促进室温蠕变的实验结果，Jones 认为溶解产生的双空位促进刃型位错攀移，从而松弛应变硬化。 Magnin 认为，滑移使裂尖钝化膜局部破裂后，受力最大的裂尖原子将择优溶解，形成一个台阶。这相当于使裂纹变尖，应力集中增大，从而促进位错从裂尖发出。Kanfman 认为，原子沿滑移带择优溶解能引起应力集中，应力升高能促进塑性变形并使它局限在裂尖附近；塑性应变愈大，溶解速率愈大，故局部塑性变形促进局部溶解，从而使裂尖应力进一步升高，形变进一步局部化，进而导致微裂纹形核。 （2） 氢致开裂的机理
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