序

前言

第1章 緒論 1

1.1 油氣管線鋼的服役現狀與發展趨勢 1

1.2 油氣管線鋼土壤腐蝕實驗研究的背景與重要意義 3

1.3 X80管線鋼服役的腐蝕環境及其特點 5

1.4 土壤腐蝕的主要影響因素 6

1.4.1 中國土壤腐蝕網站建設 6

1.4.2 材料腐蝕實驗點的土壤環境性質 7

1.4.3 土壤腐蝕電池與電極過程 8

1.4.4 土壤腐蝕的影響因素 10

1.5 土壤腐蝕實驗研究方法 15

1.5.1 室外現場實驗 15

1.5.2 室內實驗 18

1.6 X80管線鋼土壤腐蝕研究工作進展 20

參考文獻 21

第2章 X80管線鋼在新疆土壤中的腐蝕行為研究 27

2.1 長輸管線的土壤腐蝕 27

2.2 實驗材料與方法 29

2.2.1 實驗材料與試樣制備 29

2.2.2 實驗介質 30

2.2.3 實驗方法 30

2.3 理化性能測試 31

2.3.1 拉伸性能測試 31

2.3.2 沖擊性能測試 33

2.3.3 彎曲性能測試 34

2.3.4 硬度測試 35

2.3.5 落#撕裂實驗 37

2.3.6 金相組織分析 37

2.3.7 焊接對主體管道影響程度和范圍分析 41

2.4 實驗結果與討論 43

2.4.1 X80管線鋼在霍爾果斯水飽和土壤中的腐蝕行為研究 43

2.4.2 X80管線鋼在烏魯木齊土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 47

2.4.3 X80管線鋼在連木沁土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 69

2.4.4 X80管線鋼在庫爾勒土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 98

2.5 本章結論 107

參考文獻 108

第3章 X80管線鋼在青海土壤中的腐蝕行為研究 110

3.1 實驗材料與方法 110

3.2 實驗結果分析與討論 111

3.2.1 腐蝕速率的測定 111

3.2.2 腐蝕形貌觀察及分析 112

3.2.3 極化曲線分析 117

3.2.4 機理分析 119

3.3 本章結論 120

參考文獻 120

第4章 X80管線鋼在甘肅土壤中的腐蝕行為研究 121

4.1 實驗材料與方法 121

4.1.1 實驗材料與試樣制備 121

4.1.2 實驗介質 121

4.1.3 實驗方法 122

4.2 實驗結果分析與討論 122

4.2.1 失重分析 122

4.2.2 腐蝕形貌觀察與分析 123

4.3 本章結論 144

第5章 X80管線鋼在陜西水飽和土壤中的腐蝕行為研究 146

5.1 實驗材料與方法 146

5.1.1 實驗材料與試樣制備 146

5.1.2 實驗介質 147

5.1.3 電化學測量 147

5.1.4 腐蝕形貌觀察 147

5.2 實驗結果分析與討論 147

5.2.1 X80管線鋼在靖邊水飽和鹽漬土壤中的腐蝕行為研究 147

5.2.2 X80管線鋼在榆林堿性沙土中的腐蝕行為研究 153

5.2.3 X80管線鋼在延安水飽和土壤中的腐蝕行為研究 157

5.3 本章結論 161

參考文獻 162

第6章 X80管線鋼在河南水飽和土壤中的腐蝕行為研究 163

6.1 實驗材料與方法 163

6.1.1 實驗材料與試樣制備 163

6.1.2 實驗介質 163

6.1.3 電化學測量 163

6.1.4 腐蝕形貌觀察 164

6.2 實驗結果分析與討論 164

6.2.1 電化學分析 164

6.2.2 腐蝕形貌觀察及分析 166

6.3 本章結論 168

參考文獻 169

第7章 X80管線鋼在重慶水飽和土壤中的腐蝕行為研究 170

7.1 實驗材料與方法 170

7.1.1 實驗材料與試樣制備 170

7.1.2 實驗介質 170

7.1.3 電化學測量 171

7.1.4 腐蝕形貌觀察 171

7.2 實驗結果分析與討論 171

7.2.1 電化學分析 171

7.2.2 腐蝕形貌觀察及分析 173

7.3 本章結論 175

參考文獻 175

第8章 X80管線鋼在東南酸性土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 177

8.1 實驗材料與方法 177

8.1.1 實驗材料與試樣制備 177

8.1.2 實驗溶液 178

8.1.3 電化學腐蝕實驗 178

8.1.4 表面形貌觀察與腐蝕產物分析 178

8.2 實驗結果分析與討論 179

8.2.1 宏觀形貌觀察 179

8.2.2 微觀SEM形貌觀察和EDS分析 179

8.2.3 腐蝕速率測定 182

8.2.4 極化曲線測量 182

8.3 本章結論 184

參考文獻 184

第9章 X80管線鋼在海濱鹽堿土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究 186

9.1 實驗材料與方法 186

9.1.1 實驗材料與試樣制備 186

9.1.2 實驗溶液 186

9.1.3 電化學腐蝕實驗 186

9.1.4 表面形貌觀察與腐蝕產物分析 187

9.2 實驗結果分析與討論 187

9.2.1 宏觀形貌觀察 187

9.2.2 微觀SEM形貌觀察和EDS分析 187

9.2.3 腐蝕速率測定 191

9.2.4 極化曲線測量 191

9.3 本章結論 193

參考文獻 193

第10章 X80管線鋼在庫爾勒土壤中的微生物腐蝕規律研究 194

10.1 微生物腐蝕研究進展 194

10.1.1 微生物腐蝕研究意義 194

10.1.2 微生物腐蝕研究現狀 195

10.1.3 生物膜與生物附著 197

10.1.4 微生物腐蝕形成的表面膜層對腐蝕動力學的影響 200

10.2 實驗過程與方法 201

10.2.1 實驗菌種 201

10.2.2 實驗過程 202

10.3 實驗結果分析與討論 205

10.3.1 電化學分析 205

10.3.2 表面形貌觀察與分析 207

10.3.3 腐蝕機理分析 217

10.4 本章結論 218

參考文獻 219

第11章 天然氣管道土壤應力腐蝕開裂研究現狀 222

11.1 應力腐蝕開裂研究背景與意義 222

11.1.1 硫化物應力腐蝕開裂 223

11.1.2 高pH應力腐蝕開裂 224

11.1.3 近中性pH應力腐蝕開裂 224

11.2 應力腐蝕開裂的影響因素 225

11.2.1 材料因素 225

11.2.2 環境因素 227

11.2.3 力學因素 228

11.3 應力腐蝕開裂研究現狀 228

11.3.1 應力腐蝕開裂機理研究進展 228

11.3.2 應力腐蝕開裂敏感性評定參數 229

11.3.3 應力腐蝕開裂實驗方法 231

11.4 應力腐蝕開裂研究熱點 231

11.4.1 應力腐蝕開裂的機理研究 231

11.4.2 應力腐蝕開裂的裂紋擴展特征研究 232

11.4.3 應力腐蝕開裂的壽命預測與模型研究 233

11.4.4 應力腐蝕開裂的現場調查程序和評估做法研究 234

11.4.5 應力腐蝕開裂的完整性評價方法研究 237

11.4.6 應力腐蝕開裂的預防措施研究 239

11.4.7 應力腐蝕開裂的檢測及監測方法研究 239

參考文獻 241

第12章 0.8 設計系數用X80管線鋼斷裂韌性測試 243

12.1 斷裂韌性測試方法 243

12.2 實驗過程與方法 244

12.2.1 實驗原理 244

12.2.2 實驗材料 245

12.2.3 斷裂韌性測試 245

12.2.4 起裂點的判定 248

12.3 X80管線鋼斷裂韌性實驗研究 248

12.4 X80管線鋼失效評估圖研究 251

12.4.1 雙判據法原理 252

12.4.2 X80管線鋼選擇曲線3失效評估圖建立 253

12.5 本章結論 256

參考文獻 256

第13章 0.8 設計系數用X80管線鋼在近中性NS4溶液中的SCC行為研究258

13.1 實驗方法及過程 259

13.1.1 實驗材料與試樣制備 259

13.1.2 實驗條件與過程 260

13.2 實驗結果與分析 260

13.2.1 三種X80管線鋼SSRT實驗結果 260

13.2.2 斷口形貌觀察 263

13.2.3 斷口側面形貌分析 272

13.3 本章結論 274

第14章 焊縫類型和陰極保護對X80管線鋼的SCC行為影響研究 276

14.1 實驗方法及過程 277

14.1.1 實驗材料與試樣制備 277

14.1.2 實驗條件與過程 279

14.2 實驗結果與分析 279

14.2.1 不考慮陰極保護電位情況下X80管線鋼的SCC實驗結果 279

14.2.2 考慮陰極保護電位的情況下X80管線鋼的SCC實驗結果 287

14.3 本章結論 297

參考文獻 297

第15章 X80管線鋼在近中性pH環境中臨界破斷應力研究 299

15.1 實驗方法及過程 299

15.1.1 試樣尺寸及形狀 299

15.1.2 實驗環境 299

15.2 實驗結果與分析 301

15.3 本章結論 303 2100433B

本書全面介紹作者研究團隊近年來對X80管線鋼在我國典型腐蝕性土壤環境中的腐蝕實驗成果，展示了腐蝕研究方法、腐蝕數據積累和腐蝕行為規律與機理等方面的研究成果。同時，本書詳細介紹X80管線鋼及其焊縫在不同pH土壤環境中的應力腐蝕規律與機理方面的研究成果。全書以我國西氣東輸管線經過的典型腐蝕性土壤為背景，以室內模擬和加速腐蝕實驗為手段，考慮了X80管線鋼在服役中可能產生的各種腐蝕形式（點腐蝕、應力腐蝕和微生物腐蝕等），開展系統的研究工作，研究成果可為X80管線鋼在我國土壤環境中的服役提供翔實可靠的基礎腐蝕數據，為管線的長周期安全運行提供科學依據。

本課題結合室內外試驗，圍繞高強管線鋼土壤腐蝕的敏感服役環境因素及其形成機制、微觀腐蝕動力學機制、腐蝕的不同階段（均勻腐蝕-點蝕-應力腐蝕）關鍵影響因素及其電化學機制的演變過程等科學問題，系統研究了X70、X80、X100等高強管線鋼在我國典型土壤環境中的腐蝕行為規律及關鍵影響因素，取得的主要創新性結果如下： 1）在我國典型中度酸性土壤地區（鷹潭）、強酸性土壤地區（西雙版納）、干旱堿性鹽漬土地區（庫爾勒和格爾木）、高含水堿性鹽土（天津大港）以及高原堿性低鹽土地區（拉薩）進行裸試樣和帶剝離涂層的高強管線鋼現場埋片試驗及室內試驗獲得了裸樣及涂層下的管線鋼腐蝕環境的形成規律及高強管線鋼的腐蝕規律及相關影響因素。 2）通過形成的系列化的實驗室模擬與加速實驗新技術，獲得了管線鋼剝離涂層下敏感腐蝕環境的形成規律及機理，腐蝕微區電化學動力學-力學電化學的交互作用機制，以及外加電位、微觀組織結構和微生物對腐蝕的影響等；系統描述了管線鋼外部腐蝕的孕育期及早期腐蝕行為。 3）完善了高強管線鋼局部腐蝕-應力腐蝕萌生、發展的電化學機理，提出并完善了應力腐蝕的非穩態電化學機制，提出了弱交流雜散電流促進高強管線鋼應力腐蝕的非穩態極化狀態促進點蝕或應力腐蝕微觀電化學模型。 4）通過建立的高強管線鋼在土壤環境中的微區相電化學的原位微區電化學手段及相關研究揭示了應力腐蝕發生發展與微觀組織結構的關系。 5）揭示了氫致韌性作用在陰保條件下管線鋼應力腐蝕萌生及擴展中的作用機制，發現了氫致韌性效應能推遲SCC的萌生及減緩循環載荷下裂紋的擴展速率。 6）結合現場實驗和室內模擬與加速實驗研究，確認了土壤pH、含鹽量及其成分、含水率及干濕交替環境、剝離涂層環境、陰保電位、組織結構、微生物和受力狀態及應力水平對高強管線鋼土壤腐蝕行為機理具有重要影響，取得的系列成果對管線鋼防護工程實踐及學科發展產生了巨大推動作用。

本課題將在實土埋樣和模擬溶液腐蝕研究的基礎上，對高強管線鋼在土壤薄液膜下的腐蝕電化學機理開展系統研究，通過對比實土埋樣、模擬溶液和土壤薄液膜下的腐蝕行為與機理，進一步加深對土壤腐蝕主要影響因素的認識；系統開展土壤薄液膜下高強管線鋼腐蝕的相電化學機制以及應力腐蝕裂紋萌生和擴展不同演化階段及其關鍵影響因素研究，進一步揭示高強管線鋼在我國土壤環境中腐蝕和應力腐蝕的關鍵影響因素；確定涂層下閉塞薄液環境對局部腐蝕的促進作用及其電化學機理，確定顯微組織所對應的微電極過程動力學過程對局部腐蝕萌生與擴展的影響機制，結合非穩態電化學理論建立并進一步發展高強鋼應力腐蝕裂紋擴展安全評價理論與測試方法。該課題不僅能為我國高強管線鋼的性能優化、管線防護及安全評價提供更完善的理論依據，而且能提升土壤環境腐蝕的研究水平，具有重要的實際工程價值和理論意義。

近十年來中國天然氣需求量大幅度增長，輸送能力有了長足發展，天然氣輸送用管線鋼級從X60 迅速提高到了X80。2005 年中國首條X80 鋼級管道應用工程在冀寧線上建成。武鋼、寶鋼、鞍鋼為工程提供X80 管線板卷和鋼板，寶雞、華北及巨龍鋼管公司為工程完成制管。

早期的管線鋼一直采用C、Mn、Si型的普通碳素鋼，在冶金上側重于性能，對化學成分沒有嚴格的規定。自60年代開始，隨著輸油、氣管道輸送壓力和管徑的增大，開始采用低合金高強鋼（HSLA），主要以熱軋及正火狀態供貨。這類鋼的化學成分：C≤0.2%，合金元素≤3～5%。隨著管線鋼的進一步發展，到60年代末70年代初，美國石油組織在API 5LX和API 5LS標準中提出了微合金控軋鋼X56、X60、X65三種鋼。這種鋼突破了傳統鋼的觀念，碳含量為0.1-0.14%，在鋼中加入≤0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，并通過控軋工藝使鋼的力學性能得到顯著改善。到1973年和1985年，API標準又相繼增加了X70和X80鋼，而后又開發了X100管線鋼，碳含量降到0.01-0.04%，碳當量相應地降到0.35以下，真正出現了現代意義上的多元微合金化控軋控冷鋼。

我國管線鋼的應用和起步較晚，過去已鋪設的油、氣管線大部分采用Q235和16Mn鋼。“六五”期間，我國開始按照API標準研制X60、X65管線鋼，并成功地與進口鋼管一起用于管線敷設。90年代初寶鋼、武鋼又相繼開發了高強高韌性的X70管線鋼，并在澀寧蘭管道工程上得到成功應用。