淺析酸氣管道焊縫橫向裂紋的產(chǎn)生原因及檢出方法

肖金品，劉 毅

（江漢石油管理局江漢檢測公司，潛江 433123）

1 泄漏事件概述

普光氣田主體開發(fā)地面集輸工程輸送介質(zhì)為未經(jīng)凈化處理的高含硫氣體（簡稱酸氣），其中硫化氫含量達(dá)12.31%～17.05%，其濃度為迄今為止國內(nèi)同類管道中最高。工程于2008年12月啟動，2009年10月投入試運行，2009年10月12日集氣末站外輸匯管發(fā)生安全閥起跳事故，隨后集氣末站外輸匯管筒體縱縫外表面出現(xiàn)長約30mm的橫向裂紋，發(fā)生泄漏，被迫停車。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

此次外輸匯管泄漏由筒體縱縫外表面出現(xiàn)的橫向裂紋產(chǎn)生，分析裂紋產(chǎn)生原因有助于采取針對性的無損檢測方法檢出裂紋，進(jìn)而采取相應(yīng)的整改措施，防止泄漏事故的發(fā)生，確保管道工程的安全可靠運行。

2.1 泄漏匯管技術(shù)參數(shù)

發(fā)生泄漏的集氣末站匯管由馬來西亞某公司生產(chǎn)，設(shè)計規(guī)范采用ASME SectionⅧ，DIV 12007版，其基本參數(shù)為：工作壓力10.98MPa，工作溫度60℃，材質(zhì)SA516－70N（相當(dāng)于國內(nèi)16MnR）。

2.2 原料氣組分

原料氣組分為 He 0.012mol%，H20.028mol%，N20.52mol%，CO28.64mol%，H2S 15.16mol%，CH475.52mol%，C2H60.12mol%。

2.3 橫向裂紋產(chǎn)生原因分析

焊縫裂紋一般產(chǎn)生于兩個階段，即制造過程和使用過程。

2.3.1 制造過程

事故發(fā)生后，中原油田普光分公司立即組織有關(guān)專家對匯管制造商的相關(guān)制造資料進(jìn)行了審查。發(fā)現(xiàn)制造商的整個制造工藝非常規(guī)范，并且整個制造過程有國內(nèi)公司的監(jiān)造，因此在制造過程中產(chǎn)生裂紋的可能性可以排除。

2.3.2 使用過程產(chǎn)生

通常含硫介質(zhì)管道（包括容器）在使用過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，其多發(fā)生在焊縫及熱影響區(qū)，方向多為橫向（垂直于焊縫）。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的機(jī)理如下：

（1）硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC） 硫化物應(yīng)力腐蝕開裂是金屬在拉應(yīng)力和有水及硫化氫存在的腐蝕共同作用下的開裂。SSC的敏感性與鋼中的滲氫量有關(guān)，這主要取決于兩個環(huán)境參數(shù)：水的pH值和H2S含量。SSC敏感性隨H2S的含量增加而增加。SSC敏感性還與兩個材料參數(shù)有關(guān)，即硬度和應(yīng)力。用于濕H2S環(huán)境中的碳鋼基金屬壓力容器和管道由于具有足夠的強(qiáng)度（硬度），通常SSC影響較小，但是其焊縫和熱影響區(qū)可能包含焊接引起的高硬度和高殘余應(yīng)力區(qū)，較高的殘余拉伸應(yīng)力與焊縫結(jié)合增加了SSC的敏感性。

（2）硫化氫中氫誘導(dǎo)開裂（HIC）和應(yīng)力指向氫誘導(dǎo)開裂（SOHHC－H2S） 氫誘導(dǎo)開裂是金屬中或金屬表面不同平面上的鄰近氫鼓泡的階梯狀內(nèi)部裂紋。開裂的動力是氫鼓泡內(nèi)部壓力的累積引起的氫鼓泡周圍的高應(yīng)力。應(yīng)力指向氫誘導(dǎo)開裂（SOHIC）是大量小氫誘導(dǎo)裂紋組合的鼓泡的堆積，這些氫誘導(dǎo)裂紋由較高的局部拉應(yīng)力作用在鋼板厚度方向上的排列而引起。SOHIC經(jīng)常出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)，由于工作應(yīng)力（來自內(nèi)部的壓力）和焊接殘余應(yīng)力的累加影響使得這里的應(yīng)力最大。

從上述硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的機(jī)理可以看出，硫化氫、水氣、應(yīng)力（工作應(yīng)力和焊接過程中的殘余應(yīng)力）、鋼材高強(qiáng)度和高硬度這些因素的共同影響導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生，而其中硫化氫、水氣、應(yīng)力是其中三個最為主要的影響因素。

普光氣田地面集輸管道工程運行介質(zhì)為硫化氫含量很高的濕酸氣，而管道運行過程中工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力、鋼材本身的高強(qiáng)度和高硬度以及焊接缺陷這些因素同時存在，它們都是誘導(dǎo)硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的因素。

3 常規(guī)NDT方法對裂紋的檢出情況分析

管道焊口檢測常用的無損檢測方法有射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測和滲透檢測，不同的檢測方法對不同類型缺陷的檢出情況并不相同。

3.1 射線檢測

射線檢測的原理是基于射線通過密度不同的物質(zhì)時，由于強(qiáng)度衰減不同，在底片上形成黑度差，使得缺陷影像在底片上得以顯現(xiàn)。射線檢測通常對體積狀缺陷（氣孔、夾渣）檢出率較高，這是由于氣孔、夾渣的密度與鋼的密度相差較大，在底片上容易形成黑度差而得以顯示。對面狀缺陷（裂紋、未熔合、未焊透），其檢出率受到下列因素影響：

（1）射線透照角度 當(dāng)射線透照方向與面狀缺陷的方向一致時可獲得較高的檢出率。隨著透照角度的加大，面狀缺陷的檢出率急劇下降。對橫向裂紋而言，其檢出率受透照方向的影響會更大。

（2）靈敏度 射線檢測對裂紋的檢出率還受到靈敏度限制，工件厚度越大，靈敏度越低。

發(fā)生泄漏的匯管厚度為40mm，射線檢測可以發(fā)現(xiàn)的是＞0.5mm的缺陷，而應(yīng)力腐蝕裂紋在擴(kuò)展開裂初期其寬度通常都在0.1mm左右，即使射線透照方向與裂紋方向一致也有漏檢的可能性。

3.2 超聲波檢測

超聲波在異種介質(zhì)的界面上將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達(dá)到探測缺陷的目的。

由于超聲波檢測是利用超聲波在缺陷界面的反射來對缺陷進(jìn)行識別，因而缺陷的性質(zhì)、位置、取向和形狀對檢測結(jié)果有較大影響。對面狀缺陷而言，超聲波在缺陷處的反射類似于鏡面反射，可獲得較高反射回波。特別是對裂紋缺陷，由于裂紋中通常只有空氣，超聲波在裂紋界面上有很高的反射率，因而超聲波檢測對裂紋缺陷檢出率很高。

對焊縫進(jìn)行超聲波檢測時，要求探頭與工件接觸良好，否則會影響檢出率。進(jìn)行橫向裂紋的檢測時，還應(yīng)將焊縫余高打磨平整，以保證探頭在焊縫表面移動時探頭與接觸面的良好接觸。

3.3 磁粉檢測

磁粉檢測是通過對被檢工件施加磁場使其磁化，在工件的表面和近表面缺陷處將有磁力線逸出工件表面而形成漏磁場，通過漏磁場吸附施加在工件表面上的磁粉形成磁痕，從而顯示出缺陷的存在。

現(xiàn)有磁粉檢測技術(shù)基本只能檢測工件表面或近表面裂紋，對埋深＞2mm的裂紋，使用磁粉檢測技術(shù)將無法檢出。

3.4 滲透檢測

滲透檢測是基于毛細(xì)現(xiàn)象揭示非多孔性固體材料表面開口缺陷，其方法是將液體滲透液滲入工件表面開口缺陷中，再用顯像劑顯示出缺陷。

滲透檢測對表面開口缺陷有很好的檢出率，但對非開口缺陷，使用滲透檢測技術(shù)將無法檢出。

4 不同NDT方法對匯管橫向裂紋的檢出情況

4.1 對裂紋檢出情況的比較

泄漏事故發(fā)生后，我公司受中原油田普光分公司委托，對集氣末站發(fā)生泄漏的外輸匯管和未泄漏的生產(chǎn)匯管焊縫采用射線檢測、超聲波檢測進(jìn)行復(fù)查，勝利海檢中心采用磁粉檢測、滲透檢測進(jìn)行復(fù)查。使用不同檢測技術(shù)對生產(chǎn)匯管A8縱縫裂紋的檢出情況對比見表1。

表1 采用不同無損檢測方法對橫向裂紋的檢出情況對比

4.2 對焊縫余高打磨前和打磨后裂紋檢出情況的比較

（1）對集氣站匯管的超聲波檢測是在未對焊縫余高進(jìn)行打磨的情況下進(jìn)行的。根據(jù)普光分公司要求，我公司還對 P301，P302，P303，P101，P103五個站場的匯管進(jìn)行了射線和超聲波抽檢。進(jìn)行超聲波檢測前，曾要求對焊縫余高進(jìn)行打磨，但普光分公司考慮到未得到馬來西亞廠家的許可，未采納要求。射線檢測和超聲波檢測均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

（2）應(yīng)普光分公司要求，合肥通用機(jī)械研究院和機(jī)械工業(yè)蘭州石油鉆采煉油化工設(shè)備質(zhì)量研究所對普光氣田主體開發(fā)地面集輸工程中所有站場的匯管進(jìn)行安全等級評定。期間兩家單位對匯管焊縫進(jìn)行了超聲波檢測，超聲波檢測前對匯管焊縫余高進(jìn)行了打磨。在我公司已進(jìn)行過超聲波檢測的五個站場匯管焊縫上檢測出40余條長度＜10mm的橫向裂紋，深度基本都在20～30mm之間。我公司又對上述五個站場的匯管焊縫進(jìn)行了射線檢測和超聲波檢測復(fù)查。進(jìn)行射線檢測復(fù)查時，未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋顯示；進(jìn)行超聲波檢測復(fù)查時（使用的超聲波儀器、探頭與檢測余高打磨前匯管焊縫所使用的超聲波儀器、探頭相同），得到了與兩家進(jìn)行安全等級評定單位基本一致的超聲波檢測結(jié)果。從以上進(jìn)行的各項檢測情況可以得出結(jié)論如下：① 用超聲波對焊縫中橫向裂紋進(jìn)行檢測可獲得較高的檢出率；采用射線檢測只能檢出長度較長的橫向裂紋；而磁粉或滲透檢測對埋藏較深的裂紋無法檢出。② 對焊縫橫向裂紋進(jìn)行超聲波檢測時，檢測前應(yīng)對焊縫余高進(jìn)行打磨。焊縫余高的存在將直接影響橫向裂紋的檢出率。

5 結(jié)論

（1）酸氣管道在使用過程由于受到水氣、應(yīng)力及其它一些因素的共同影響會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，應(yīng)力腐蝕裂紋通常長度較小且垂直于焊縫方向。針對應(yīng)力腐蝕裂紋使用超聲波檢測技術(shù)是最佳的檢測方法。

（2）采用超聲波對焊縫中的橫向裂紋進(jìn)行檢測時須將焊縫余高打磨至與母材平齊，否則會造成對細(xì)小橫向裂紋的漏檢。

（3）為保證檢出率，使用超聲波檢測時還應(yīng)使用兩種或兩種以上K值的探頭（其中一種須為K1探頭）。

［1］JB／T 4730—2005 承壓設(shè)備無損檢測［S］.

［2］王曉雷.承壓類特種設(shè)備無損檢測相關(guān)知識［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2007.