海洋油气输送管线钢微生物、力学和电化学因素耦合作用下应力腐蚀裂尖行为与扩展机理

Stress corrosion simulation experiment equipment of pipeline steel in sulfate-reducing bacteria（SRB）will be established to research on the crack tip behavior and propagation mechanism of metal stress corrosion and micro electrochemical behavior by micro electrochemical measurement and crack tip micro observation technology in marine environment with SRB. Through analyzing the effect of interaction between SRB and mechanics to low alloy high strength steel, the intrinsic relationship between stress corrosion cracking mechanism and environmental factors, as well as the relationship between stress corrosion behavior, cracking mechanism and stress state will be cleared. Through analyzing the effect of SRB, mechanics and electrochemical coupled action, the correlation between crack nucleation, propagation and stress corrosion micro electrochemical behavior will be discussed, as well as the electrochemical law of stress corrosion will be mastered. The implications of the research is to develop the theory of corrosion electrochemical and stress corrosion in marine environment containing SRB, to reveal the mechanism of metal stress corrosion in SRB ,to lay theoretical foundation for using the metal materials and establishing applicable engineering selection, designing and protection system.

本项目建立管线钢在硫酸盐还原菌（SRB）存在下的应力腐蚀模拟实验装置，利用微区电化学测量技术和裂纹尖端微观观测技术，开展在含SRB海洋环境中金属应力腐蚀裂纹裂尖行为与其扩展机理及应力腐蚀微区电化学行为的研究。通过分析硫酸盐还原菌与力学交互作用对低合金高强管线钢的影响，明确硫酸盐还原菌环境因素和应力状态与金属应力腐蚀行为及开裂各阶段机理间的内在联系；通过分析硫酸盐还原菌、力学与腐蚀电化学耦合作用对管线钢的影响，探讨应力腐蚀微区电化学行为与裂纹形核、扩展的相关性，掌握其应力腐蚀的电化学规律。研究的意义在于发展在含硫酸盐还原菌的海洋环境体系中腐蚀电化学及应力腐蚀理论，揭示在硫酸盐还原菌环境中金属应力腐蚀的机制，从而为金属材料的安全使用以及建立工程适用的选材、设计与防护体系奠定理论基础。

海洋环境下油气输送管线钢的用量越来越大，并向着高强度级别发展。由于海洋腐蚀环境的特点，这些管线钢面临最大的风险就是在海洋微生物、海洋载荷和海洋杂散电流等交互作用下的腐蚀开裂问题。海洋微生物尤其是硫酸盐还原菌(SRB)它在自然界的分布很广，在海洋深处，尤其是海泥处广泛存在。随着我国海洋事业的快速发展，海洋中出现大量的杂散电流。虽然在海水中的管线通常联合采用防护涂层和阴极保护联合防止其腐蚀，防护涂层使管道表面与其周围的腐蚀介质隔离，阴极保护确保涂层局部缺陷部位的管道表面得到电化学保护。然而，这些杂散电流或阴极剥离等原因，在裂口附近的涂层很容易形成缝隙，腐蚀介质通过裂口进入缝隙导致缝隙内的管道发生腐蚀。这样，阴极保护能否防止剥离涂层下管道内微生物腐蚀或者应力腐蚀就成为一个急需解决的问题。本项目研究了硫酸盐还原菌存在下海洋环境因素（干湿交替、溶解氧、氯离子等）对金属应力腐蚀行为的作用机制，明确干湿交替环境因素对海泥模拟介质中金属应力腐蚀的敏感性的影响规律；研究了含硫酸盐还原菌模拟海泥溶液中金属应力腐蚀的电化学行为，探索了含硫酸盐还原菌海泥模拟介质中应力腐蚀电化学行为与裂纹形核、扩展的相关性，明确了其应力腐蚀的电化学规律与机理；研究了力学因素对含硫酸盐还原菌模拟海泥溶液中金属裂纹形核及其扩展行为的影响规律，研究了应力因素对其力学性能、裂尖应力场、形变、裂纹组态等的影响，获得了力学因素对金属应力腐蚀作用规律的特征参数；研究了金属在含硫酸盐还原菌模拟海泥溶液介质中的应力腐蚀行为规律，阐明了含硫酸盐还原菌海泥模拟介质中管线钢应力腐蚀断裂的阳极/阴极过程，建立了管线钢在含硫酸盐还原菌海泥模拟介质中应力腐蚀的理论模型。本项目的完成，不仅系统认识了海洋硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀机理，丰富了材料微生物腐蚀理论，还为海洋油气管道剥离涂层下存在微生物腐蚀时有效的阴极保护系统设计提供科学依据。