1材料因素
①管材的化學(xué)成分：氫易在MnS與α-Fe(溫度在912℃以下的純鐵)的交界面處析出，MnS夾雜是氫致裂紋產(chǎn)生的原因，因此鋼中Mn、S的含量過高對抗硫化物應(yīng)力腐蝕不利。但是，為了保證鋼材有一定的強度和韌性，需要保證一定的Mn含量，那么只能降低S含量或加入某些合金元素，如Mo、Ti、V、B、Cu等元素能提高鋼的抗SSCC性能。例如，在管線鋼中加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%的Mo時，其抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能佳。應(yīng)限制P的含量，防止由于P的偏析引起開裂，相對增加Ti的含量可以提高抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能。Ni有利于提高鋼材的韌性，但由于含Ni鋼中析氫的過電位低，氫離子易被還原而促進游離氫的析出，導(dǎo)致鋼的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能變差，對于抗H2S腐蝕的管線鋼，均要求Ni的質(zhì)量分數(shù)不大于l%。總之，這些元素的綜合作用影響著鋼材的抗H2S腐蝕性能。
②管材熱處理和顯微組織：大量研究結(jié)果表明，管材的金相組織對抗H2S腐蝕性能影響較大，如MnS夾雜、未回火的片狀馬氏體和下貝氏體組織對應(yīng)力腐蝕特別敏感，而經(jīng)過高溫回火后，由均勻分布的細小球狀碳化物構(gòu)成的回火馬氏體和下貝氏體的抗應(yīng)力腐蝕性能提高。高溫回火是提高大多數(shù)低合金鋼和碳素鋼抗應(yīng)力腐蝕性能的主要方法。珠光體的形態(tài)也影響鋼材的抗應(yīng)力腐蝕性能，管線鋼中各組織形態(tài)抗應(yīng)力腐蝕性能由大到小的順序依次為：鐵素體-珠光體、多邊形鐵素體、針狀鐵素體。研究表明：凡是使晶格熱力學(xué)平衡而穩(wěn)定的熱處理，都能使SSCC敏感性降低。
③管材的強度和硬度：一般認為在化學(xué)成分相似的情況下，隨管材強度的增加，SSCC敏感性增加。分析統(tǒng)計破壞事故和試驗研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不發(fā)生SSCC的高硬度值為HRC20～27，硬度越高，發(fā)生SSCC的臨界應(yīng)力越小。
④材料表面狀態(tài)：分析破壞事故發(fā)現(xiàn)，裂紋往往起源于表面缺陷部位。
2、應(yīng)力因素
壓應(yīng)力不會導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，拉應(yīng)力的存在是發(fā)生SSCC的必要條件，隨著拉應(yīng)力增加，裂紋擴展速度增加。在SSCC產(chǎn)生過程中，應(yīng)力的主要作用是使金屬發(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)生滑移，促進SSCC裂紋形核、擴展直至斷裂。應(yīng)力表現(xiàn)和作用方式在不同的材料-腐蝕介質(zhì)體系中是不同的，應(yīng)通過SSCC的行為規(guī)律和機理作具體分析。管線鋼存在明顯的應(yīng)力界限，低于臨界應(yīng)力，不會發(fā)生SSCC。管道應(yīng)力來源于3個方面：①管道所承受的工作載荷；②殘余應(yīng)力：一般認為焊縫、熔合線及熱影響區(qū)內(nèi)原來已經(jīng)存在的氫致延遲裂紋，當暴露在H2S環(huán)境中后，內(nèi)表面的原發(fā)氫脆裂紋將解理擴展；③腐蝕產(chǎn)物：腐蝕過程中，會在材料表面產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物膜。腐蝕產(chǎn)物體積一般都大于相應(yīng)被腐蝕掉的金屬體積，這種膜將導(dǎo)致較大的體積應(yīng)力。
3、機理研究
關(guān)于SSCC的機理研究主要有氫脆理論，認為腐蝕的陰極反應(yīng)產(chǎn)生氫，氫原子進入金屬內(nèi)部，并擴散到裂縫尖端，使這一區(qū)域變脆，在拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生脆斷。氫在應(yīng)力腐蝕中起著主要作用，但是關(guān)于氫如何引起脆斷的看法各有不同：有些學(xué)者認為氫降低了裂紋前緣原子鍵結(jié)合能；有些學(xué)者認為吸附氫的作用使表面能下降；還有些學(xué)者則認為氫氣造成高的內(nèi)壓，促進位錯活動等等。
近年來，隨著應(yīng)力作用下的腐蝕斷裂研究不斷深入，把陽極溶解和氫擴散致脆的過程結(jié)合起來，可以較好地分析一些腐蝕斷裂現(xiàn)象。一般認為，氫在應(yīng)力腐蝕中的作用應(yīng)根據(jù)具體情況而定：在有些腐蝕體系中以氫脆為主，另外一些腐蝕體系中則以陽極溶解為主。高強鋼中硫化物引起的金屬破裂被認為是氫脆所致，氫是應(yīng)力腐蝕斷裂的重要因素，但在低強度鋼中，氫不是應(yīng)力腐蝕斷裂的主要因素。
關(guān)于H2S促進滲氫過程的機理有不少假說，但真正的試驗依據(jù)還不多。有些學(xué)者認為H2S的存在使Fe-H鍵能降低，氫原子很容易從金屬表面轉(zhuǎn)移到深處；有些學(xué)者認為，由于S-H鍵的強度比Fe-H鍵弱，在H2S溶液中，H2S中的氫比吸附到金屬表面的原子氫更容易離解而進入金屬內(nèi)部；有些學(xué)者認為吸附在金屬表面上的H2S分子破裂形成了新的氫原子，即H2S+2e→2H吸附+S2，導(dǎo)致金屬表面的氫濃度升高；有些學(xué)者認為H2S起催化劑的作用；還有些學(xué)者認為，溶解而未電離的H2S分子促進了氫脆，它吸附在鋼材的表面，對質(zhì)子放電起橋式配位體作用，從而加速放電反應(yīng)，并使氫進入鋼中。上述研究都提供了H2S加速滲氫過程的依據(jù)，說明了H2S引起的應(yīng)力腐蝕破裂本身受擴散過程控制，其中點陣擴散是這類脆斷的主要控制因素。高強鋼在酸性H2S環(huán)境中容易產(chǎn)生破裂，就是因為H2S促進了因腐蝕產(chǎn)生的氫原子擴散到裂紋前緣的金屬內(nèi)部，使氫脆更快發(fā)生。從微觀角度分析，腐蝕所引起的內(nèi)部氫脆，要經(jīng)歷氫原子的化學(xué)吸附→溶解(吸附)→點陣擴散→形成氫化物→裂紋或氣泡4個階段。
4、試驗方法
在石油、天然氣(尤其是天然氣)長輸管道中，高壓高強度管道的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂會引發(fā)重大的安全事故，因此需要評價管線鋼的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能，保證管道的安全，研究科學(xué)的管材抗H2S應(yīng)力腐蝕評價試驗方法具有重要的意義。管線鋼抗應(yīng)力腐蝕性能評價試驗方法主要有固定應(yīng)變法、固定載荷法、雙臂梁法和慢應(yīng)變速率拉伸法等。
①固定應(yīng)變法
四點彎曲法試驗樣品
固定應(yīng)變法將試樣塑性變形至預(yù)定形態(tài)，然后在固定應(yīng)變狀態(tài)下，使試樣產(chǎn)生裂紋直至斷裂，記錄斷裂時間，對材料的SSCC敏感性作出判斷。這種方法中常用的有U形彎曲、3點彎曲、4點彎曲以及C環(huán)法，一般都是利用卡具或螺絲來獲得應(yīng)力。該方法的優(yōu)點是簡便、經(jīng)濟、試件緊湊，適合于在有限空間的容器內(nèi)進行成批的長期試驗；缺點是不能準確測定應(yīng)力值，各平行試件的應(yīng)力值不能保持一致，裂縫產(chǎn)生后引起的應(yīng)力松弛還會使裂縫的擴展減緩或者中止，因而可能觀察不到試件完全斷裂的現(xiàn)象。常用的U形試樣尺寸已在ISO和ASTM標準中規(guī)定，試驗溫度一般控制在25℃左右，介質(zhì)通常是含5%(質(zhì)量分數(shù))CH3COOH的飽和H2S溶液。這種方法已被IS0和ASTM規(guī)定為評定應(yīng)力腐蝕開裂的一種標準方法。
②固定載荷法
標準拉伸法試驗樣品
在固定應(yīng)力作用下，使試樣產(chǎn)生裂紋直至斷裂，由臨界應(yīng)力或者臨界應(yīng)力與屈服應(yīng)力的比值、或者斷裂時間來評定材料的SSCC敏感性。這種方法雖然需要比較復(fù)雜的設(shè)備，但是可以精確測定起
始應(yīng)力值，還可以求得應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力閾值。該方法在NACE TM 0177、IS0和ASTM中都被規(guī)定為判斷鋼鐵材料SSCC敏感性的一種標準試驗方法。固定載荷法的缺點是裂紋產(chǎn)生后不能獲知準確的應(yīng)力值。
③雙臂梁法(DCB)
在雙臂梁法試驗過程中，通過對試樣加載使預(yù)制裂紋擴展，基于斷裂力學(xué)求出應(yīng)力強度因子，從而評定鋼鐵材料的SSCC敏感性。該方法可以確定臨界應(yīng)力強度因子，還可以精確測定裂紋的擴展速度以及應(yīng)力水平(以應(yīng)力強度因子表示)和裂紋擴展速度的關(guān)系。其試驗裝置簡單，但試樣尺寸較大，制備較困難。該方法于1977年和l982年分別被NACE和NACE T-1F-9C規(guī)定為評定鋼鐵材料SSCC敏感性的一種標準方法。
④慢應(yīng)變速率拉伸法(SSRT)
慢應(yīng)變速率拉伸法的試樣尺寸可根據(jù)試驗需求確定，彎曲試樣、平滑試樣、缺口試樣或預(yù)制裂紋試樣都可適用。試樣在慢應(yīng)變速率拉伸試驗機上以較小的應(yīng)變速率拉伸至斷裂，測量記錄斷口直徑、斷裂時間、大負載、應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計算斷面收縮率，對斷口進行電鏡分析。通常，試驗求得鋼鐵材料分別在空氣和試驗介質(zhì)中的斷面收縮率機和西，定義F為氫脆系數(shù)，用來衡量鋼在介質(zhì)中的SSCC敏感性：F=(ø0-ø)/ø0。通常把F大于35%的區(qū)域視為所研究體系的氫脆敏感區(qū)，小于25%的視為安全區(qū)域，介于兩者之間的視為有潛在危險的區(qū)域。實際上安全區(qū)F臨界值應(yīng)當由斷口分析判定。
SSRT可促使鋼鐵材料在短期內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，提供了一種實驗室快速評定材料抗應(yīng)力腐蝕開裂性能的試驗方法，還可以通過試驗研究材料發(fā)生SSCC的機理。另外，SSRT的試樣型式簡單，試驗過程簡單易行，近年來被眾多的學(xué)者廣泛采納。該方法被IS0和ASTM規(guī)定為判定鋼鐵發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的一種標準試驗方法。