城市复杂条件下燃气管线应力腐蚀敏感性研究

中国图书分类号：TG172.9国际图书分类号：620.194工学博士学位论文（同等学力人员）城市复杂条件下燃气管线应力腐蚀敏感性研究博士研究生：车立新导师：段常贵教授申请学位：工学博士学科、专业：供热、供燃气、通风及空调工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2007年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TG172.9U.D.C.：620.194DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONSTRESSCORROSIONSTUDYONSTRESSCORROSIONCRACKINGSUSCEPTIBILITYOFGASPIPELINEUNDERCOMPLICATEDCONDITIONINCITYPIPELINEUNDERCOMPLICATEDCIRCUMSTANCEINCITYCandidate：CheLixinSupervisor:Prof.DuanChangguiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty:Heating,GasSupplying,Ventilating&Air-ConditioningAffiliation：SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineeringDateofDefence：June,2007Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要本文研究了城市埋地燃气钢质管线在建设和生产运行中的复杂工况条件和环境条件，并针对管线钢在城市复杂环境下的应力腐蚀敏感性及作用机理开展了深入研究。通过现场取样调查研究和实验室的试验分析研究，采用电化学的试验方法和应力腐蚀的实验方法，取得了大量的试验数据，获得了很多有意义的研究成果。应力腐蚀开裂是埋地钢质管道发生突发性破坏事故的主要危险之一，近些年来在很多国家陆续发生了许多由于应力腐蚀造成的埋地管线断裂的恶性事故。世界各国对高压长输管线的应力腐蚀行为进行了大量的研究工作，但是对于城市复杂环境条件下埋地管线的应力腐蚀行为的研究则相对较少。本文从工作实际出发，针对城市燃气事业的需求和发展，研究分析和力求解决管线腐蚀破坏可能出现的新问题，防患于未然。随着国际化和现代化城市建设的发展，北京市的天然气能源需求不断增加，天然气埋地钢质管道发展迅速，其设计运行压力、管道规格、管材钢级和施工规模等不断提高和扩大，各种适合城市复杂环境地区的现代化施工技术被大量采用，城市输气管道在建设和运行阶段一定程度上具备了长输高压输气管道的特征，同时更具有城市复杂环境和工矿条件下的特殊性。这样，广为关注的输气管线的应力腐蚀破坏问题在城市输气管道中成为潜在的可能导致严重腐蚀破坏的原因之一，应引起业界高度重视。通过对北京市燃气管道的建设和生产运行各环节的分析研究，认为对燃气管道应力腐蚀敏感性影响较大的城市燃气管道的复杂环境条件主要有三方面：土壤环境的复杂性，运行压力的复杂性，施工条件的复杂性。管线钢在这些条件下的应力腐蚀敏感性，将直接关系到管网安全可靠的运行。因此在课题中对这三个条件下的应力腐蚀行为进行研究和探讨。通过对北京地区土壤环境中主要污染成分的调研取样，认为直接影响土壤质量恶化的主要成分是氮肥，试验溶液的选择根据一些研究者测定的管线钢发生应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracking，SCC）破坏点附近涂层下的溶液成分，并结合北京土壤污染的情况，试验选择不同浓度的（NH2）2CO-NH4NO3溶液，用来模拟大城市近郊地区和农村富含硝酸盐的土壤腐蚀环境。通过电化学试验研究、慢应变速率拉伸（SlowStrainRateTest，SSRT）的应力腐蚀试验研究和断口形貌分析研究等，认为管线钢（Q235、哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-X60）在富含硝酸盐土壤中具有一定的应力腐蚀敏感性，在试验条件下稀溶液比浓溶液更易引发X60钢的应力腐蚀发展，产生应力腐蚀敏感性的诱因是NH4NO3溶质组分。通过对北京市高中压天然气管线2005年和2006年的管道运行压力数据分析研究，认为北京市燃气管线工作压力呈周期性波动，波形类似于正弦波；并符合高频低幅，低频高幅的波动规律。据此提出了波动慢应变速率拉伸SCC试验方法（FluctuantSlowStrainRateTest，F-SSRT），用VisualBasic语言设计了基于SSRT试验的波动慢拉伸SCC试验的操作控制系统，用以模拟研究城市管线工作压力波动条件下管线钢的SCC行为。本文深入研究了波动载荷条件下X70钢在近中性pH值溶液中的SCC敏感性。近中性pH污染环境中X70钢的电化学试验表明，管线钢氢致开裂的敏感电位和腐蚀速率都与pH值有关；波动拉伸载荷有利于材料内部及表面孔洞等缺陷的形成，并促进了SCC裂纹的扩展，当载荷波动频率和幅度增大到一定程度后，SCC裂纹可由表面孔洞萌生并沿昀大剪应力面扩展。试验条件下，管线钢SCC的敏感性是阳极溶解和氢的联合作用的结果。定向钻技术对管线钢应力腐蚀敏感性的研究，主要是考虑到近几年定向钻技术在城市天然气管线的建设中得到了越来越广泛的应用。在定向钻的施工中，由于施工工艺的要求，管线以一定的角度进入土壤，产生弯曲应力，因此在管线上存在应力集中的部位。由于弯曲应力和工作应力的共同作用，加上定向钻泥浆这种特殊的土壤环境，人们对它的腐蚀特性了解甚少，因此这种环境存在着发生SCC的应力条件和环境条件。研究表明，定向钻泥浆中含有一定量Na2CO3和NaHCO3后，X70钢将具有一定的应力腐蚀敏感性，随着NaHCO3含量的减少，断口形貌呈现典型的脆性断裂特征。由于Na2CO3是泥浆中不可缺少的成分，土壤和地下水中一般都含有NaHCO3，因此在实施定向钻的施工技术时应尽量选用含盐量低、碱性较弱的水来配置定向钻泥浆；施工过程要确保工艺管道防腐层的完整性，以免地下水渗透到泥浆中，可能造成管道防腐层缺陷处的腐蚀破坏。这项研究对保障定向钻技术安全可靠应用及对通过定向钻铺设的管线的腐蚀预测具有重要的指导意义。关键词燃气管线；应力腐蚀开裂；燃气压力；波动慢应变速率拉伸试验；污染环境；定向钻Abstract-III-AbstractThisthesisanalyzedcomplicatedconstructionandoperationconditionsofcitygaspipeline.Italsostudiedpipelinestresscorrosioncracking（SCC）susceptibilitytocityenvironmentsanditsmechanism.On-the-spotsurveyandlabexperimentalresearchweredone.LargeamountofexperimentaldatawereobtainedwithelectrochemicaltestsandSCCexperiments.Valuableconclusionswereachieved.SCCisoneofthemajorcausesofaccidentalbreakofburiedsteelpipeline.Recently,manyburiedpipelinebreakingaccidentscausedbySCChashappenedinmanycountries.ResearchonSCCprobleminhighpressurepipelineshasbeendoneindifferentcountriesinthepastyears.ButfewworkhasbeendoneonSCCproblemofburiedpipelineinurbanareawithmorecomplicatedsoilenvironmentsandconstructionconditions.Basedonpracticalneedandgasindustrialdevelopmentalrequirements,thispaperfocusesonpossibilityofnewcorrosionproblemsandwaystosolvetheseproblemstoavidfuturetroubles.Withcities’globalizationandmodernization,naturalgasdemandinBeijingisincreasingwitheachpassingyear.Theindustryofburiedpipelineforgastransporthasexpandedrapidly.Operationpressureandscaleofconstructionhavebeenincreased.Pipespecificationandsteelclassificationaremorespecificandhavemorevarieties.Variedmodernconstructiontechniqueshavebeenappliedoncitypipelineconstructiontofitcitycomplexconfiguration.Theconstructionandoperationofcitygaspipelinepossessomecharacteristicsoflongdistancepipeline.Atthesametime,citygaspipelinehasitsparticularitiesofenduringcomplicatedconstructionconditionanddifferenthazardoussoilenvironmentsinurbanarea.Asaresult,SCCproblem,oneofthepotentialhazardsthatmaycausegreatcorrosiondamagestocitygaspipeline,shouldbehighlyrecognized.AfterthoroughresearchonBeijinggaspipelineconstructionandoperationprocedures,thispaperconcludedthatSCCproblemwassusceptibletothreeaspects:complexsoilenvironments,operationvariationandcomplicatedconstructionconditions.SCCsusceptibilitiestothesefactorsaffectedthesafety哈尔滨工业大学工学博士学位论文-IV-andreliabilityofpipelinenetwork.ThispaperstudiedtheSCCbehaviorundertheeffectsofthesethreefactors.SoilsamplesinBeijingwereanalyzedinlabanditwassuggestedthemajorhazardousmaterialinsoilwasnitrogenousfertilizer.OnthebaseofpreviousresearchandBeijingsoilconditions,solutionwithdifferentconcentrationof（NH2）2CO-NH4NO3wereselectedtosimulatethesoilenvironmentofmetropolisanditssuburbwhichwererichinnitrate.ElectrochemicalexperimentandSlowStrainRateTestweredone.Itwasfound