管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法

摘要

本发明属于金属材料应力腐蚀领域，特别提供了管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法，可以快速有效预测土壤中材料因为应力腐蚀导致的裂纹扩展并失效的时间，以解决重大工程中埋地管线钢因为应力腐蚀破裂造成重大事故的无法预测问题。利用慢速率扫描极化曲线和快速率扫描极化曲线得到非裂尖区域和裂尖区域的极化曲线，选取慢扫极化曲线的零电流电位与快扫极化曲线相交的电流作为裂尖的腐蚀速度，根据裂纹扩展模型，提出裂纹扩展时间与电化学腐蚀速率的关系，预测其服役时间。

主权项

管道用高强钢环境应力腐蚀裂纹扩展的电化学预测方法，其特征是包括以下步骤：步骤1.1用于获得电化学实验体系：首先将待测土壤在温度为100±5℃烘干2h、研磨，用20目的筛子过筛后，用水与土壤1：1的比例配制成土壤溶液，备用；将待测金属用环氧树脂把实验用的材料镶嵌起来，工作面积为10mm×10mm，用200、600、800号金相砂纸逐级打磨至光亮，用无水乙醇和丙酮进行脱脂，用蒸馏水冲洗，吹干，作为工作电极，将所述工作电极浸入到上述制备得到的土壤溶液的浸出液中15～50min，待电位稳定后进行测量，与辅助电极和参比电极，装入三电极体系进行极化曲线的测量；步骤1.2用于获得腐蚀电流密度：采用0.5mV/s～300mV/s之间的多种不同扫描速率测试体系的极化曲线，通过该曲线获得油气管道用高强钢裂纹及周边区域在体系中腐蚀电流密度i；步骤1.3用于获得裂纹扩展速率：根据管线钢SCC扩展模型，进行假设简化，获得SCC扩展不同阶段裂纹扩展速率与腐蚀电流密度之间的关系，其中：浅裂纹阶段裂纹扩展速率v₁，采用公式(1)计算$v_1={\left(\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}\right)}_{\mathrm{SCC}}=2\frac{M}{\mathrm{nq}{N}_A\rho }{i}_{a1}---\left(1\right)$其中，式中M为Fe的摩尔质量；n为Fe的价电子数，n＝2；N_A为阿佛加德罗常数；ρ为Fe的密度，i_a1是浅裂纹阶段的平均腐蚀电流密度；深裂纹阶段裂纹扩展速率v₂采用公式(2)$v_2={\left(\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}\right)}_{\mathrm{SCC}}=\frac{k_{\mathrm{total}}{K}_{I-\max }(K_{I-\max }+K_{I-\min })}{f}{i}_{a2}---\left(2\right)$其中，式中K_I‑max为最大载荷；K_I‑min为最小载荷；k_total为总的系数项；f为载荷变化的频率,i_a2是深裂纹阶段的腐蚀电流密度；步骤1.4用于获得浅裂纹阶段平均腐蚀电流密度：浅裂纹阶段随时间变化的腐蚀电流密度，获得该阶段的平均腐蚀电流密度i_a1，采用i_a1＝i_a12+k_a1(i_a11‑i_a12)     (3)其中，式中i_a11为第二阶段起始腐蚀电流密度，i_a12为第二阶段终止腐蚀电流密度或第三阶段平台腐蚀电流密度，k_a1取值范围为0～0.5；1.5将上述步骤获得的裂纹扩展速率整合，获得油气管道用高强钢的服役寿命，采用T＝k₁D/i_a1+k₂(L‑D)/i_a2    (4)其中，式中k₁为浅裂纹阶段裂纹扩展速率v₁与腐蚀电流密度i的系数项的倒数，k₂为深裂纹阶段裂纹扩展速率v₂腐蚀电流密度i的系数项的倒数，D为浅裂纹和深裂纹的临界尺寸，L为工程上材料安全服役的最深裂纹长度，i_a1是浅裂纹阶段的平均腐蚀电流密度，i_a2是深裂纹阶段的腐蚀电流密度。