试验方法

试验所用30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管的化学成分如所示，其金相316不锈钢管为奥氏体316不锈钢管，4g苦昧酸+ 100mL酒精侵蚀)，主要力学性能:屈服强度00.2>400MPa、 抗拉强度op>750MPa、伸长率8 >50%、断面收缩率中>65%，硬度为HRC2l。本立试验以NACE TM0177- 2005标准溶液为母液，通过改变H2S质量分数和pH值配制了4种溶液。其中，pH4.5是气田井口积液的通常pH，pH2.7是NACE标准溶液的pH值，也是井口积液pH值的下限; 0.1%是含硫气田的井口积液中的通常H2S质量分数，饱和H2S(约0.35%)是模拟井口积液的H2S质量分数的峰值情况。

采用U形试样浸泡和慢应变速率拉伸试验(Slow strain rate test,SSRT)研究了30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在上述四种溶液中的SCC敏感性。其中，U形弯试样是将平板试样压弯至张角10。士1”，然后用螺栓加载至张角为0" (U形)。将螺栓部位用硅胶密封、试样表面除油后，浸泡在试验溶液中:浸泡试验的316不锈钢管长试验时间为720h，试验中间记录SCC316不锈钢管先出现的时间，然后继续浸泡至720h观察裂纹长大(至断裂)的情况。SSRT在WDML- 30KN微机控制慢应变速率拉伸试验机上进行，拉伸的应变速率为1.33x10^'s"。试验温度为室温(约25C)。用扫描电子显微镜对裂纹及断口形貌进行观察，对SCC的机制进行分析。先切下观( 500mL 察部位，先丙酮清洗除油，再用洗液HCI+500mL H.0+3- 10g六次甲基四股)技清洗1min去除胸蚀产物、去离子水超声政市洗，再丙酮清洗除水，收干后再观察，以排除残留落液及腐蚀产物的影响。

试验结果

SCC的孕育时间

30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管的U形试样在4种落液中的侵泡后，SCC华育时间的统计结果。30408（0Cr18Ni9）不锈钢管在S00h内全部发生了裂纹，且在相同pH条件下发生SCC的预反泡时间比较接近，面SCC发生的华有时间随pH的降低面明显降低，面受市液质量分数的影响不大，HS由0.1%增加至饱和华育期略微减小。说明30408（0Cr18Ni9）不锈钢管倒在H,S路液中的SCC受pH影响较大，面受HS质量分数的影响较小，

SCC敏感性

30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在不同条件HS溶液中的SSRT应力一应变曲线。可见，30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在4种溶液中的断裂强度和伸长率均远小于在空气中的，且断裂发生时的伸长率和断裂时的强度均随溶液中H,S质量分数的开高或pH的降低而降低。其中在pH=2.7的两种溶液(溶液1和溶液3)中断裂时的伸长率和断裂强度接近，在pH=4.5的两种溶液(溶液2和溶液4)中断裂时的伸长率和断裂强度也比较接近、且都分别高于pH=2.7情况下的。在含HS介质中的试样断裂强度和伸长率降序与SCC孕育时间比较一致。

为了量化讨论30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在不同条件HS溶液中的应力腐蚀敏感性，将其伸长率的损失系数F。和断面收缩率损失系数F。作为SCC敏感性的评价指标。F,= (1-8/8,) x (1) F,= (1-4/中。) x (2)式中，8、4分别为SSRT试样在溶液中的断后伸长率和断面收缩率，00、 4。分别为空气中的斯后伸长率和斯面收缩率。3CrI7Ni7Mo2SiN不锈钢的SCC敏感性统计。可见，30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在4种溶液中的SCC敏感性都比较高，且均随着H2S质量分数的降低有小幅度降低、而随pH降低的下降较大，说明其SCC机制受H2S质量分数的影响较小而受pH的影响较大，表明氢致开裂(Hydrogen induced cracking. HIC)对其SCC起到一定作用。同时，由30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在含HS介质中的断口放大形貌(图五)可见，断面上存在许多垂直断面的裂纹。这些裂纹是由治人钢中的H产生的HIC.他们能促成SCC的形成和扩展。这进一步证明了30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在酸性的H.S介质中具有明显的HIC机制特征。

SCC形貌观察

30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管U形试样在溶液1和溶液3中主要纹断口的SEM微观形貌均为脆性断口，其共同特点是裂纹贯穿整个试样厚度，且在U形试样外表面附近的断口为沿晶断口，而裂纹扩展后过渡为穿晶断口。不同的是在饱和H2S的溶液(溶液1)中沿晶断裂区域较宽，几乎达到试样厚度的2/3 ，而在含0.1%H2S的溶液(溶液3)中沿晶断裂区域较窄，大约为厚度的1/5 。而且对比a、b中试样外表面的形貌可见，在pH=2.7条件下，溶液1中的试样表面粗糙、发生了严重的不均匀腐蚀， 而溶液3中的试样表面较光滑、腐蚀程度较小。这表明30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在含CI的H2S介质中会首先发生局部腐蚀，形成沿晶SCC.随着SCC的扩展，裂纹的应力强度因子K1增大到一定程度，裂纹转变为穿晶SCC;面H.S质量分数的增加能加剧局部腐蚀的发生，从面导致溶液1中沿品SCC的区域较宽。在pH 4.5的介质中，SCC扩展较慢，裂纹内部发生了严重的溶解，裂纹钝化，且并未形成贯穿性裂纹。这说明pH对SCC的扩展有重要影响。在pH较低的溶液中，SCC扩展较快，形成了贯穿性裂纹)。而在pH较高的溶液中，SCC仅形成了腐蚀较严重的裂纹源，并未发生快速扩展。由于pH降低能够增加试样表面的析氢过程，因此30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管的SCC以局部优先溶解的形式起裂，而扩展过程受HIC的影响，所示结果一致。

SCC萌生机制观察

a和b是SSRT试样侧面二次裂纹形貌，对这些一次裂纹中心进行了电子衍射能谱分析结果如图九所示。由于试样在测试前都进行了腐蚀产物超声波加洗液清洗，可以排除残留试验溶液的影响。因此由EDS结果可以判断中标注的二次裂纹处都存在S化物夹杂。由于夹杂处的微观缺陷和点蚀坑底部容易发生日原子和CI浓聚，在其缺陷导致的应力集中的作用下，更容易形成HIC从而促进了SCC的形成。图十是在SSRT试样侧而点蚀处发生SCC的情况，可见，点蚀坑形成应力集中引起了SCC。由结果可以判断，30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在酸性H,S/CI环境中，SCC的南芽机制主要有3种:先发生品间SCC, ，然后扩展为穿晶SCC， 在夹杂物处由于HIC和应力集中作用发生SCC，点蚀坑处由于应力集中发生SCC。

引发的深思

在酸性HS环境中，金属材料表面首先发生电化学腐蚀，介质中的HS和S?阴离子会在钢表面发生吸附，并促进氢离子还原，同时减缓生成的氢原子重组氢分子，促进析出的氢会富集在钢材的缺陷和应力集中处，形成微裂纹。在外加拉应力作用下这些微裂纹长大和连接，形成微观上的解理断口，就导致了宏观的SCC,这是H2S对钢的破坏机理。这些过程受介质条件、材料的成分、316不锈钢管及受力条件等的影响。

本文中环境因素主要有pH、H2S质量分数和CI质量分数。pH反映了溶液中H+的一质量分数，pH降低加快了不锈钢表面钝化膜的溶解，同时促进钢表面的析氢反应、加剧H向钢中的扩散。H,S及HS和S3等离子能与不锈钢氧化膜反应，在氧化膜表面生成一层Fe (Cr) Sx膜，不仅能促进H向钢中扩散，同时能阻碍钝化膜的修复，加速钝化膜的破坏，从而加剧钢受HIC的作用。CI主要是破坏奥氏体316不锈钢管的表面氧化膜，特别是酸性环境中能够加速破坏不锈钢的氧化膜，对不锈钢SCC的发生具有协同作用。钝化膜稳定存在能够有效抑制H和铁离子(铬离子)在膜层中的传输，也就降低了H,S和HS与膜下金属的反应，抑制了活性H原子在金属表面形成，从而降低了氢脆(Hydrogen Embrittlement,HE)对金属损害，降低了发生氢致开裂形SCC的倾向。

试验结果可见，30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管的SCC敏感性均随pH降低或HS质量分数增大而升高，就是说明在低pH或高H,S质量分数条件下钝化膜易破坏、 HIC作用加强促进了SCC发生。同时，30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管在四种式验介质中的SCC敏感性均较高，说明该钢在试验介质条件下的抗SCC能力较差。

在本实验中，30408（0Cr18Ni9）316不锈钢管是奥氏体316不锈钢管。奥氏体不锈钢316不锈钢管具有很低的H扩散系数，具有较强的耐HIC能力，是耐SCC的316不锈钢管。但H能够使裂纹的奥氏体不锈钢发生马氏体化，增加其脆性，引起HIC和SCC。而且由于试验介质中的CI质量分数很高(表1)，能够对奥氏体316不锈钢管构成严重局部腐蚀，从而增加SCC敏感性。在奥氏体相中，H主要存在于缺陷等H陷阱当中，也就是存在于夹杂或缺陷处，当这些部位的H质量分数超过临界质量分数就会发生HIC,导致钢的基体弱化和应力集中，降低SCC