宋恩鵬，蔡 克，瞿婷婷，劉養(yǎng)勤，李小龍

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

0 前 言

目前天然氣管道已成為國內(nèi)外能源輸送的大動脈，壓氣站和管道長期安全、平穩(wěn)運行對保障天然氣能源供應(yīng)至關(guān)重要[1]。由于壓氣站埋地管線長期處于土壤環(huán)境中服役，受高壓、震動等影響，經(jīng)常出現(xiàn)管線防腐層失效、管道外部腐蝕嚴(yán)重等問題[2]，直接影響天然氣運輸?shù)陌踩蛪簹庹菊９ぷ骱瓦\行。

西部某壓氣站對站場壓縮機(jī)組附屬管線進(jìn)行檢測時，發(fā)現(xiàn)某壓縮機(jī)出口管線存在壁厚減薄情況，管線兩側(cè)及底部清晰可見較為密集且深淺不一的蝕坑。該管線采用直縫埋弧焊鋼管，鋼管規(guī)格為 Φ914 mm×28 mm，材質(zhì)為 L415，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9711.1—1997 《石油天然氣工業(yè) 輸送鋼管 交貨技術(shù)條件 第1部分 A級鋼管》[3]。為了探究其埋地管道失效原因，避免類似事件的發(fā)生，對該管段進(jìn)行了宏觀檢查、壁厚測量、理化檢驗、掃描電鏡（SEM）、X 射線衍射物相以及土壤等綜合分析。

1 宏觀分析與理化檢驗

1.1 宏觀形貌分析

取樣管約4.5 m，管體防腐層已基本打磨掉，局部依稀可見紅色環(huán)氧云鐵涂層，該涂層硬脆，與管體結(jié)合不緊密，可剝落，無法判斷其防腐層具體情況。整管呈現(xiàn)彌散型腐蝕區(qū)，管體下半部分腐蝕較為嚴(yán)重，局部有腐蝕深坑。腐蝕樣管形貌如圖1所示。

圖1 腐蝕樣管形貌

1.2 樣管壁厚檢測

采用MX－5 型超聲波測厚儀對樣管進(jìn)行壁厚測量，結(jié)果見表1。從管體底部截取腐蝕最為嚴(yán)重的一段管段，環(huán)向（A～L）、軸向（1～10）共120個測量點進(jìn)行密集測厚。由表1可知，該管段壁厚最小值18.77 mm，說明該部位腐蝕較為嚴(yán)重。

1.3 化學(xué)成分分析

從焊縫、距焊縫 180°的管體上取樣采用ARL 4460 直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。依照GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，分析結(jié)果見表2。由表2可知，測量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 力學(xué)性能分析

采用SHT4106 材料試驗機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》，對管段母材（90°橫向）和焊接接頭取38 mm×50 mm 試樣進(jìn)行拉伸性能試驗，結(jié)果見表3。從表3可以看出，該管段材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 腐蝕密集區(qū)壁厚測量結(jié)果 mm

表2 樣管化學(xué)成分分析結(jié)果

表3 送檢試樣室溫拉伸性能試驗結(jié)果

采用PSW750 沖擊試驗機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，對管段母材（90°橫向）、焊縫及熱影響區(qū)取5 mm×10 mm×55 mm 試樣進(jìn)行夏比沖擊試驗，結(jié)果見表4。從表4可以看出，該管段材質(zhì)的沖擊性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 0℃夏比沖擊試驗結(jié)果

采用 WZW－1000 彎曲試驗機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653—2008 《焊接接頭彎曲試驗方法》，對焊接接頭取300 mm×38 mm×28 mm 試樣進(jìn)行彎曲試驗，結(jié)果見表5。從表5可以看出，該管段焊縫的彎曲性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用JL－50000 落錘試驗機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8363—2007 《鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法》，對90°管體取 305 mm×76.2 mm×28 mm 試樣進(jìn)行落錘試驗，結(jié)果見表6。從表6可以看出，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 試樣彎曲試驗結(jié)果

表6 0℃落錘撕裂試驗結(jié)果

1.5 顯微組織分析

采用MEF4M 金相顯微鏡，依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》 及 GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗方法》 對管體、焊接接頭的組織、晶粒度及非金屬夾雜物進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 焊接接頭組織及橫截面宏觀形貌

由圖2可知，管體組織均為多邊形鐵素體PF+粒狀貝氏體 B 粒，晶粒度為 10.5級，非金屬夾雜物等級為 A 0.5級、B 0.5級及 D 0.5級。焊縫的組織為針狀鐵素體IAF+多邊形鐵素體PF+粒狀貝氏體B 粒。熔合區(qū)試樣組織為粒狀貝氏體B粒，其中細(xì)晶熱影響區(qū)為珠光體P +鐵素體F。對焊縫參數(shù)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表7。

表7 焊縫參數(shù)測量結(jié)果 mm

1.6 掃描電鏡及能譜分析

由于整個管體底部為均勻腐蝕且腐蝕坑都較深，因此在管體腐蝕密集區(qū)取塊狀試樣，采用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡及XFORD INCA350 能譜儀對其外表面腐蝕坑及周邊區(qū)域進(jìn)行分析，管體表面腐蝕坑形貌如圖3所示，管體表面腐蝕坑能譜分析結(jié)果見表8，腐蝕坑截面形貌如圖4所示，腐蝕坑截面能譜分析結(jié)果見表9。

圖3 管體表面腐蝕坑形貌

表8 管體表面腐蝕坑能譜分析結(jié)果

圖4 腐蝕坑截面形貌

表9 腐蝕坑截面能譜分析結(jié)果

由圖4可以看出，試樣外表面腐蝕均勻，腐蝕坑呈現(xiàn) “彈坑狀”，局部有塊狀腐蝕產(chǎn)物。由圖4可以看出，管體表面覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物膜，對腐蝕表面進(jìn)行能譜分析主要物質(zhì)為C、O、Fe、Si，并含有一定量的 Cl 元素。

1.7 腐蝕產(chǎn)物分析

將送檢樣管外壁腐蝕產(chǎn)物刮下并碾碎，利用X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析，分析結(jié)果如圖5所示。結(jié)合腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果，腐蝕產(chǎn)物可能包含的物相有 Fe2O3、FeO（OH）、SiO2。從圖5可以看出：Fe2O3、FeO（OH）衍射峰較為明顯，SiO2衍射峰與其他衍射峰重合，但考慮到能譜分析中有Si 的存在，故判斷有SiO2存在，該成分主要來自土壤。

圖5 腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜分析結(jié)果

1.8 土壤分析

取與樣管接觸的土壤，并對其所含離子、電阻率、pH 值及含鹽量進(jìn)行了測試，結(jié)果為：土樣的 pH 值為 7.06，屬于中性土壤，電阻率為102.4 Ω·m，屬于弱腐蝕性土壤。

土壤離子含量由土樣浸出液濃度計算可以得出，結(jié)果見表10。由于土壤中Cl-的含量大于100 mg/kg 即可判斷土壤腐蝕等級強(qiáng)[4]，所檢測土樣中Cl-的含量為510.1 mg/kg，故可判斷該地土壤具有較強(qiáng)腐蝕性。土壤中的含鹽量為0.22%，屬于腐蝕性較強(qiáng)的土壤[5]。

由土樣的各項結(jié)果可知，該地土壤pH 值為中性，電阻率較高，屬于弱腐蝕性土壤。但土壤中含有較多Cl-，且含鹽量較高，對這兩項土壤電化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，該土壤腐蝕性評價等級應(yīng)為中等腐蝕到強(qiáng)腐蝕之間。

表10 土樣中離子含量 mg/g

2 分析與討論

由理化性能試驗結(jié)果可知，樣管的力學(xué)性能、化學(xué)成分、微觀組織均滿足GB/T 9711.1—1997 的要求。

經(jīng)分析造成管線彌散型腐蝕的原因是防腐層失效，鋼管裸露于外部環(huán)境，失去保護(hù)，同時又與混凝土基座接觸，土壤的腐蝕性及管線溫度變化使管體腐蝕加速。

管體與混凝土基座直接接觸使底部腐蝕較為嚴(yán)重，加之壓縮機(jī)運行時震動較大，長時間接觸摩擦使防腐層磨損，另外土壤環(huán)境中存在較高濃度的Cl-[6]，加速了管體與混凝土接觸位置的腐蝕。

鋼管發(fā)生土壤腐蝕原因有兩點：①土壤中Cl-含量較高，點蝕形成，長時間管體從局部點蝕發(fā)展到大面積腐蝕；②通過對腐蝕產(chǎn)物X 射線衍射分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物中的 Fe2O3、FeO（OH）[7]及 “彈坑狀” 的腐蝕形貌，均表明鋼管發(fā)生了吸氧腐蝕。有資料表明[8]，溶液中含有極低濃度的氧（0.3 mg/L），可造成較為嚴(yán)重的氧腐蝕，甚至導(dǎo)致穿孔。另土壤中較高的鹽含量及Cl-含量對氧腐蝕起到促進(jìn)作用，加速腐蝕。

壓氣站出口管線內(nèi)外環(huán)境溫度相差較大，也是加速腐蝕的重要原因。該溫度差也可能形成溫差原電池的腐蝕[9]。有研究[10]表明，隨著溫度的升高，鋼鐵在土壤介質(zhì)中自腐蝕電流密度增加。另外，鋼管溫度的循環(huán)變化，防腐層與鋼管的熱膨脹系數(shù)不同，也會導(dǎo)致防腐層與鋼管的剝離，加速管體其他部位的腐蝕。

3 建 議

（1）針對該壓氣站的涂層和管道腐蝕狀況，建議對鋼管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理、同時對防腐材料及工藝進(jìn)行有效控制，嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量檢測，可選用適合當(dāng)前溫度條件下的特殊涂層，提高防腐質(zhì)量，并定期進(jìn)行檢測，確保管線安全運行。

（2）陰極保護(hù)是延緩埋地管道腐蝕的重要措施之一[11]。因此應(yīng)定期對陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，及時進(jìn)行有效性測試，確保管道均在正常保護(hù)電位下運行。

（3）埋地管線回填土要選用干燥的中性土壤，回填時要注意對防腐層的保護(hù)，避免碰傷、劃傷，對有混凝土基座的管線要特別注意，埋地前就應(yīng)該做好防腐措施，并采用較為柔軟的墊板材料。