夏勇，徐東曉，李永軍，裴廷剛，許勇，仵海龍，徐志剛，牛治國(guó)

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

?

天然氣集輸管線失效彎頭的腐蝕

夏勇，徐東曉，李永軍，裴廷剛，許勇，仵海龍，徐志剛，牛治國(guó)

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

本文從宏觀腐蝕檢測(cè)、力學(xué)性能及微觀金相組織等幾方面入手，主要觀察分析了高硫化氫、高礦化度、高濕度輸送環(huán)境下失效的天然氣集輸管線彎頭的腐蝕情況，通過(guò)綜合分析對(duì)比，了解了導(dǎo)致彎頭失效的特點(diǎn)、原因及機(jī)理。希望有助于提出可行的預(yù)防措施，減少管線事故的發(fā)生，確保管線安全運(yùn)行。

彎頭；失效；分析；預(yù)防

天然氣攜帶的酸性氣體及高礦化度地層水使彎頭長(zhǎng)期受到電化學(xué)腐蝕及機(jī)械雜質(zhì)的沖刷致使部分區(qū)域壁厚減薄，承壓能力下降，最終導(dǎo)致彎頭腐蝕開(kāi)裂。

應(yīng)力腐蝕主要是在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的，在低于材料屈服極限的應(yīng)力作用下發(fā)生，導(dǎo)致材料破壞。在濕硫化氫環(huán)境中有硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂兩種。在拉應(yīng)力及濕硫化氫的腐蝕聯(lián)合作用下產(chǎn)生開(kāi)裂，引起的脆性破壞稱硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的氫原子在硫離子的影響下，在管材熱影響區(qū)的MnS處富集，致使熱影響區(qū)處的硬度高，內(nèi)應(yīng)力增大，形成裂紋源，產(chǎn)生氫致開(kāi)裂。

焊接時(shí)局部加熱不均勻是焊接應(yīng)力和變形的根本原因。由于冷加工和焊接造成的殘余應(yīng)力能升至材料的屈服極限，使應(yīng)力腐蝕敏感性增大，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。此外在焊縫接頭處的缺陷如氣孔、焊瘤等均能引起應(yīng)力集中或產(chǎn)生縫隙腐蝕，從而造成應(yīng)力腐蝕［1-3］。

1　彎頭失效原因分析

本文采取取樣分析的方法進(jìn)行研究。分析內(nèi)容包括彎頭內(nèi)壁腐蝕形貌檢測(cè)分析、金相及硬度分析、力學(xué)性能等。詳細(xì)的分析項(xiàng)目和流程（見(jiàn)圖1）。

通過(guò)選取安裝在天然氣集輸管線不同位置失效的3個(gè)彎頭及新彎頭進(jìn)行分析對(duì)比，總結(jié)彎頭失效的原因。各個(gè)失效彎頭運(yùn)行環(huán)境的典型數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），可見(jiàn)其高硫化氫、高礦化度、高濕度的特征。

圖1　失效彎頭取樣分析項(xiàng)目

1.1腐蝕形貌分析

腐蝕形貌分析是對(duì)內(nèi)壁腐蝕形貌進(jìn)行表征分析，從腐蝕形貌判斷腐蝕類型，腐蝕程度等。

結(jié)合管線運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)對(duì)失效彎頭腐蝕形貌分析，可以發(fā)現(xiàn)，1#、3#內(nèi)弧側(cè)有密集的腐蝕坑且分布較均勻，說(shuō)明彎頭在受到?jīng)_刷腐蝕的同時(shí)還有較為嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕；2#有一層較厚的黑色覆蓋物，且可以看出明顯的沖刷痕跡，清理后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕凹坑，說(shuō)明彎頭主要受到?jīng)_刷腐蝕。

1.2腐蝕產(chǎn)物成分分析

表1　失效彎頭的運(yùn)行環(huán)境的典型數(shù)據(jù)

腐蝕產(chǎn)物成分分析有助于判斷腐蝕過(guò)程中起主要作用的元素，借以了解腐蝕機(jī)理（見(jiàn)表2）。

表2　1#、2#、3#彎頭腐蝕產(chǎn)物元素分析

通過(guò)表2看出，腐蝕產(chǎn)物中O、S和Cl的含量較高。由此可以推斷，管道內(nèi)的濕硫化氫可以導(dǎo)致電化學(xué)均勻腐蝕，使得局部壁厚減薄、蝕坑或穿孔，還可以導(dǎo)致點(diǎn)蝕、局部剝落、氫致開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂以及微生物誘導(dǎo)腐蝕等。管道內(nèi)的氯離子會(huì)導(dǎo)致管道的點(diǎn)腐蝕傾向和縫隙腐蝕傾向加大，并且促進(jìn)H2S對(duì)鋼的腐蝕。

1.3化學(xué)成分

化學(xué)成分分析主要是對(duì)失效后斷裂面進(jìn)行分析，測(cè)量增加或減少的元素，確定各元素對(duì)腐蝕過(guò)程的影響。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1019-2008采用等離子體光譜儀，對(duì)1#、2#、3#彎頭斷裂面，以及新彎頭進(jìn)行了化學(xué)元素分析，結(jié)果（見(jiàn)表3）。

表3　1#、2#、3#、4#彎頭斷裂面化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表4　4段管樣壁厚檢測(cè)表

由表3可見(jiàn)，對(duì)比1#、2#和4#新彎頭的各項(xiàng)元素成分均符合20#鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。3#彎頭斷裂面上硫的含量高達(dá)0.64%，這是因?yàn)槭r(shí)天然氣從經(jīng)過(guò)斷裂面逸出，天然氣中的硫有一部分殘留在斷面上。同時(shí)，彎管組織的碳、錳、硅元素都接近20#鋼的上限。

1.4壁厚檢測(cè)

壁厚檢測(cè)利用超聲波探測(cè)儀對(duì)彎頭進(jìn)行壁厚檢測(cè)，根據(jù)測(cè)得的壁厚數(shù)值與原始數(shù)據(jù)對(duì)比，通過(guò)運(yùn)行年限計(jì)算出腐蝕速率，同時(shí)利用壁厚-承壓公式計(jì)算出當(dāng)前壁厚下的最大承壓能力，結(jié)果（見(jiàn)表4）。

由表4可見(jiàn)，1#、2#彎頭最大壁厚遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)壁厚，原因是管線高壓彎頭曾采取了加厚處理，根據(jù)壁厚計(jì)算得到的腐蝕速率（以平均腐蝕速率為參考）屬于中度腐蝕。3#失效區(qū)域壁厚檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有明顯減薄，說(shuō)明在彎頭內(nèi)側(cè)（即失效處）發(fā)生了局部腐蝕，壁厚減薄嚴(yán)重，最終因承壓能力下降而失效。

1.5金相組織分析

管線在服役過(guò)程中，管道的材料與輸送介質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)的相互作用，往往導(dǎo)致材料的組織、成分發(fā)生變化，利用金相試驗(yàn)觀察管材的微觀組織，可以進(jìn)行初步的判斷分析。與組織直接對(duì)應(yīng)的就是材料表面硬度的變化，硬度反映了材料表面抵抗局部變形，特別是抵抗塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

1.5.11#彎頭開(kāi)裂處通過(guò)對(duì)黑白色相顯微硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：黑色相的硬度在338 HV～366 HV，白色相的硬度在398 HV～442 HV，因此確定了彎管的組織構(gòu)成為回火馬氏體和回火屈氏體。主裂紋擴(kuò)展路徑多出現(xiàn)在回火馬氏體組織區(qū)域，呈現(xiàn)出彎曲擴(kuò)展形貌。同時(shí)在主裂紋旁伴隨著一定量的二次裂紋，從裂紋的形態(tài)上觀察，具有明顯的應(yīng)力腐蝕裂紋特點(diǎn)。從裂紋斷口分析，該裂紋具有明顯的多源特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)表面被厚厚的腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，由此可以推斷，該裂紋是電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕、硫化物腐蝕的綜合原因造成。該裂紋的形成與腐蝕介質(zhì)的參與也有必然關(guān)系（見(jiàn)圖2）。

圖2 1#彎頭失效處金相組織

圖3　2#彎頭失效處的金相組織

1.5.22#彎頭開(kāi)裂處金相分析發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有較明顯的塑性變形（見(jiàn)圖3）。金相組織發(fā)生變化，對(duì)比其他區(qū)域沒(méi)有沿軸向分布，珠光體較為分散，晶粒明顯變得粗大。同時(shí)在鐵素體內(nèi)出現(xiàn)了馬氏體組織，也有一定的魏氏組織存在。在靠近斷口處還發(fā)現(xiàn)穿晶裂紋。

圖4　3#彎頭失效處的金相組織

通過(guò)顯微硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)失效區(qū)域的顯微硬度在290 HV～370 HV，且波動(dòng)較大，分析認(rèn)為彎管斷裂區(qū)比其他區(qū)域的力學(xué)性能降低，韌性變差，導(dǎo)致彎頭失效。

1.5.33#彎頭開(kāi)裂處金相分析（見(jiàn)圖4）表明：試樣的內(nèi)外壁均不平整，有很多深淺不一的腐蝕坑且組織有明顯差異。內(nèi)壁組織比中間的正常組織細(xì)小，外壁組織比中間的正常組織粗大，而且外壁的珠光體含量較少，呈粒狀均勻分布，這可能是彎頭受熱后使得外壁組織變大，出現(xiàn)脫碳的現(xiàn)象。內(nèi)壁組織較細(xì)小是由于彎頭失效時(shí)對(duì)內(nèi)壁產(chǎn)生了擠壓。

通過(guò)顯微硬度檢測(cè)，硬度值在140 HV～200 HV變化，整體變化較小，說(shuō)明腐蝕對(duì)材料的硬度影響較小。

1.6力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試的主要目的通過(guò)硬度試

驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)等測(cè)試比較力學(xué)性能是否發(fā)生改變。對(duì)于在役天然氣管道而言，其強(qiáng)度高低決定了管道承載能力的大小（見(jiàn)表5）。

表5　1#、2#、3#、4#彎頭力學(xué)性能測(cè)試

由表5可以看出，對(duì)出現(xiàn)失效開(kāi)裂的1#、2#、3#彎頭，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均高于GB8163-1999《輸送流體用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)的要求。鋼的淬硬傾向增大，抗疲勞性能下降，在彎管部位較大交變應(yīng)力作用下，易產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到臨界尺寸時(shí)發(fā)生快速爆裂。

2　結(jié)論

（1）天然氣輸氣管道彎頭在運(yùn)行過(guò)程中均受到不同程度的沖刷腐蝕及電化學(xué)腐蝕，且因安裝部位不同受影響程度不同。

（2）彎頭失效有各種情況。1#彎頭因應(yīng)力腐蝕破裂而失效，開(kāi)裂裂紋具有多源性主要是在天然氣內(nèi)壓力、腐蝕介質(zhì)的共同作用下形成；2#彎頭因安裝過(guò)程中未進(jìn)行整體預(yù)熱處理，出現(xiàn)了魏氏組織，力學(xué)性能改變，在工作過(guò)程中受到交變應(yīng)力而失效；3#彎頭因腐蝕嚴(yán)重，壁厚明顯減薄，最終超出管線承壓范圍而破裂失效。

（3）彎頭服役過(guò)程中還可能由于安裝時(shí)未進(jìn)行適當(dāng)熱處理或埋設(shè)過(guò)程受到交變應(yīng)力的影響而導(dǎo)致失效。

（4）由本工作可以得到啟發(fā)，提示應(yīng)從選材、安裝、運(yùn)行、檢測(cè)、分析、預(yù)警等多方面入手，形成統(tǒng)一有效的預(yù)防機(jī)制，盡可能減少類似事故的發(fā)生。

［1］李鐵山.輸氣管道彎頭開(kāi)裂的原因探討和預(yù)防［J］.石油工程建設(shè)，1998，（6）：51-54.

［2］李平全，等.油氣輸送管道失效事故及典型案例［J］.焊管，2005，28（7）：76-84.

［3］張清，李全安，文九巴，等.CO2/H2S對(duì)油氣管材的腐蝕規(guī)律及研究進(jìn)展［J］.腐蝕與防護(hù)，2003，24（7）：277-280.

TE985.8

A

1673-5285（2016）07-0134-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.07.034

2016－06-24