王志勇，周昌輝，詹先波，陳 剛，馮 娟

（1.山西國(guó)化能源有限責(zé)任公司，太原 030000；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司子長(zhǎng)采油廠，陜西 延安 717300）

1概述

L245N鋼是屈服強(qiáng)度≥245 MPa的PSL2等級(jí)管線鋼管的使用材料，其性能和20鋼相似。L245N鋼作為工程上常用的輸氣管線管用材，通常只適用于氣體條件不苛刻的場(chǎng)合，發(fā)生泄露的概率較低。2020年7月，某煤層氣工程站場(chǎng)規(guī)格為Φ219 mm×6.3 mm的L245N無(wú)縫鋼管發(fā)生泄露失效，鋼管按GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)中的PSL2等級(jí)進(jìn)行生產(chǎn)。該管線于2017年12月1日投產(chǎn)運(yùn)行，服役時(shí)間約2.5年，管道運(yùn)行壓力為4.96～5.96 MPa，運(yùn)行溫度為8～25℃，管道內(nèi)部輸送介質(zhì)除了煤層氣之外，還含一定量的煤粉等固體物質(zhì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查得知，失效鋼管處于管線爬坡段的起始點(diǎn)位置，鋼管在此處由平坦的河谷路段開始向山上敷設(shè)。失效鋼管爆裂后，噴濺出大量黑色煤粉狀物質(zhì)。本研究通過(guò)對(duì)失效鋼管進(jìn)行斷口和理化性能分析，查找輸氣管線泄露原因，并提出了相應(yīng)建議。

2 管體性能檢測(cè)與分析

2.1 斷口分析

失效管線鋼管表面覆蓋黑色防腐層，為了便于后續(xù)的尺寸測(cè)量，將防腐層剝?nèi)?。觀察發(fā)現(xiàn)失效管線管的斷口邊緣減薄非常明顯，邊緣處的管壁厚度不足2 mm，具有典型的氣體爆破斷口特征，如圖1所示。觀察破裂處管體內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)斷口兩側(cè)附近管體減薄明顯，并且觀察到大量彌散分布的腐蝕坑，腐蝕坑主要集中在圖2中白線與斷口之間的區(qū)域，兩條白線之間的區(qū)域沒有觀察到明顯的局部腐蝕形貌，在局部腐蝕集中的區(qū)域觀察到有較深的點(diǎn)蝕坑。在距斷口邊緣約15 mm處，每間隔約40 mm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，沿鋼管周向測(cè)量一周，沿?cái)嗫谳喞獪y(cè)量管體壁厚，結(jié)果顯示，距斷口輪廓邊緣約15 mm處的管體壁厚最薄處僅為1.95 mm，該處管體周長(zhǎng)約為705 mm，經(jīng)計(jì)算管體外徑約為224 mm（原始外徑219 mm），表明鋼管失效前已經(jīng)發(fā)生明顯的塑性變形。

圖1 失效鋼管斷口邊緣宏觀形貌

圖2 失效鋼管管體內(nèi)腐蝕形貌

對(duì)遠(yuǎn)離斷口邊緣的區(qū)域進(jìn)行壁厚檢測(cè)，如圖3所示，圖3中網(wǎng)格線的交點(diǎn)位置即為壁厚測(cè)量點(diǎn)，最薄點(diǎn)的壁厚僅為3.45 mm，遠(yuǎn)小于鋼管的設(shè)計(jì)壁厚6.3 mm。由檢測(cè)結(jié)果可知，雖然破裂管體兩條白線之間的區(qū)域沒有觀察到明顯的局部腐蝕坑，但也存在壁厚減薄的現(xiàn)象。在未破裂的管段上等距離選取12個(gè)截面，在每個(gè)截面上等距離選擇8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行壁厚與外徑測(cè)量，結(jié)果顯示未破裂的管段也存在壁厚減薄現(xiàn)象，但管體外徑?jīng)]有發(fā)生明顯的變化。

圖3 遠(yuǎn)離斷口區(qū)域鋼管壁厚測(cè)量點(diǎn)

2.2 化學(xué)成分分析

在失效管體上取樣，依據(jù)GB/T 4336—2016，采用ARL 4460直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。通過(guò)表1可以看出，失效管體的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L245N鋼管的要求。

表1 失效管體化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 力學(xué)性能分析

在失效管體的未破裂管段上，選取壁厚減薄相對(duì)均勻的位置取樣，依據(jù)ASTM A370—19ε1進(jìn)行縱向拉伸和沖擊試驗(yàn)。失效管體的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表2，夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3。需要指出的是，GB/T 9711—2011要求在0℃下的10 mm×10 mm×55 mm全尺寸試樣的沖擊吸收能最低為27 J，而由于管體壁厚減薄嚴(yán)重，本試驗(yàn)夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)僅能取出3.3 mm厚的縱向沖擊試樣，所取的1/3壁厚試樣沖擊吸收能的最低值為33 J。由表2和表3的試驗(yàn)結(jié)果可知，失效管體的拉伸與沖擊試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 失效管體縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 0℃時(shí)失效管體夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相分析

沿管體的縱向切取2個(gè)金相試樣。試樣1取自圖2破裂管體兩條白線之間的無(wú)蝕坑區(qū)域，試樣2取自斷口旁邊蝕坑（沿縱向中線剖開），金相試驗(yàn)按照GB/T 13298—2015、GB/T 10561—2005、GB/T 6394—2017進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表4，金相組織形貌如圖6所示。

表4 失效管體試樣金相檢測(cè)結(jié)果

圖4 失效管體金相組織形貌

3 失效原因分析

對(duì)失效的Φ219 mm×6.3 mm L245N管線管進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均符合GB/T 9711—2011的要求。通過(guò)壁厚檢測(cè)發(fā)現(xiàn)失效鋼管的壁厚嚴(yán)重減薄，并且在斷口附近存在明顯的內(nèi)壁局部腐蝕。根據(jù)管線資料可知，該條管線依據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)從管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)的角度對(duì)管道直管壁厚提出了以下設(shè)計(jì)公式，即

式中：δ——鋼管計(jì)算壁厚，mm；

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——鋼管外徑，mm；

δS——標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼管最小屈服強(qiáng)度，MPa；

φ——焊縫系數(shù)；

F——強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；

t——溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度＜120℃時(shí)，t=1.0。

將設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa、鋼管外徑219 mm、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼管最小屈服強(qiáng)度245 MPa代入公式（1）計(jì)算鋼管壁厚。其中，溫度折減系數(shù)取1.0，焊縫系數(shù)取1.0（實(shí)際上焊縫系數(shù)最大值僅能取到0.9），強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)取1.0（實(shí)際上根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的取值范圍為0.4～0.8），這樣即使在無(wú)任何安全裕量的情況下，計(jì)算得出鋼管的設(shè)計(jì)壁厚應(yīng)為3.52 mm?？紤]到管線實(shí)際的運(yùn)行壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)失效鋼管的屈服強(qiáng)度為281 MPa，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度245 MPa，因此將實(shí)際值帶入上述計(jì)算公式計(jì)算，即設(shè)計(jì)壓力取5.96 MPa，鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度取281 MPa，其他參數(shù)不變，這樣在無(wú)任何安全裕量的情況下，計(jì)算得出鋼管設(shè)計(jì)壁厚為2.32 mm，大于在失效管線管斷口邊緣附近測(cè)得的最小壁厚（1.95 mm）。因此，斷口附近的剩余壁厚不足以承載管線運(yùn)行壓力，最終導(dǎo)致鋼管發(fā)生爆破失效。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，該條管線的輸送介質(zhì)中含有一定量的固體煤粉，同時(shí)管線失效位置處于整個(gè)管線爬坡段的最低點(diǎn)，介質(zhì)輸送到此處易形成湍流，高壓氣體攜帶著固體顆粒在此處對(duì)管壁進(jìn)行沖刷，管體內(nèi)壁金屬在固體顆粒的沖蝕作用下不斷損耗，造成管壁不斷減薄，隨著管壁的減薄，管線的承載能力不斷下降，當(dāng)管體某處的壁厚低于臨界值時(shí)，將發(fā)生爆破失效。

綜上所述，依據(jù)失效管線管的斷口分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測(cè)以及強(qiáng)度校核結(jié)果可知，管線鋼管的失效模式為塑性爆破失效，失效的直接原因是由于輸送介質(zhì)沖蝕作用導(dǎo)致鋼管壁厚嚴(yán)重減薄，從而使管材承壓能力下降，最終鋼管在內(nèi)壓的作用下發(fā)生塑性爆破失效。

4 結(jié)論和建議

（1）失效鋼管的化學(xué)成分與力學(xué)性能符合GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L245N鋼管的要求。

（2）輸送介質(zhì)中的固體煤粉對(duì)管線沖蝕作用是導(dǎo)致管壁顯著減薄的主要原因，管壁減薄使鋼管承壓能力不足是導(dǎo)致鋼管爆破失效的直接原因。

（3）盡可能降低鋼管輸送介質(zhì)中的固體含量，延長(zhǎng)鋼管的使用壽命。

（4）未對(duì)鋼管進(jìn)行全面排查與檢修前，建議管線停輸，防止鋼管失效造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)管線加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)，進(jìn)行內(nèi)、外檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果做出相應(yīng)的處置措施。