20G/316L雙金屬復(fù)合管失效的原因

陳 浩,顧元國,江勝飛

(1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500; 2. 四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611837;3. 西南油氣田公司蜀南氣礦，瀘州 646000)

?

20G/316L雙金屬復(fù)合管失效的原因

陳 浩1,顧元國2,江勝飛3

(1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500; 2. 四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611837;3. 西南油氣田公司蜀南氣礦，瀘州 646000)

為了探明在國內(nèi)某氣田使用的20G/316L雙金屬復(fù)合管出現(xiàn)失效的原因，通過對(duì)樣品的失效形貌進(jìn)行分析，結(jié)合有限元軟件對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬，得知腐蝕嚴(yán)重的部位位于管道下部焊縫起弧點(diǎn)附近，主要腐蝕形式為點(diǎn)蝕，焊接應(yīng)力對(duì)工件失效起到了促進(jìn)和誘導(dǎo)的作用。研究表明，20G/316L雙金屬復(fù)合管的失效是焊接應(yīng)力、腐蝕性介質(zhì)Cl-和腐蝕原電池共同作用的結(jié)果。

雙金屬復(fù)合管；焊縫；失效；腐蝕；模擬

國內(nèi)某大型凝析氣田的采氣管道和集輸管道都使用碳鋼材料，經(jīng)過5 a多的生產(chǎn)運(yùn)行，集輸管線共出現(xiàn)腐蝕穿孔57次。分析發(fā)現(xiàn)氣田存在凝析水、二氧化碳、高壓、高溫及高含Cl-等腐蝕因素，天然氣中CO2含量約為0.6%(體積分?jǐn)?shù))，Cl-平均質(zhì)量濃度為110～120 g/L。為了解決該凝析氣田采氣管道和集氣管道的嚴(yán)重腐蝕問題，經(jīng)過大量的分析對(duì)比，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)以及油田的實(shí)際腐蝕現(xiàn)狀和產(chǎn)能規(guī)模，將該凝析氣田的采氣管道和集氣管道部分更換為內(nèi)襯為316L，基材為20G的雙金屬復(fù)合管。雙金屬復(fù)合管投用至今總體運(yùn)行情況良好，在很大程度上遏制了該氣田集輸管道的失效問題，但也有部分管道出現(xiàn)失效，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　失效統(tǒng)計(jì)

從失效情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，失效位置全部在焊縫部位，失效的復(fù)合管中使用時(shí)間最短的不到2 a，最長的為6 a，發(fā)生失效的雙金屬復(fù)合管都屬于提前失效。

焊接接頭是集輸管道中最為薄弱的環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)外還沒有針對(duì)雙金屬復(fù)合管接頭焊縫失效分析的研究報(bào)道。

1　失效形貌

失效管件采用向上焊接技術(shù)加工而成，根據(jù)向上焊接技術(shù)原理[1]及試樣宏觀形貌，可以判斷出焊縫起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)的位置,如圖1所示。

圖1　焊縫起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)整體位置Fig. 1　Overall positions of arc starting point and ending point of the weld

根據(jù)圖2所示管道刺漏點(diǎn)整體形貌可得出以下幾點(diǎn)：管道外表面焊縫處有一個(gè)較為明顯的刺漏點(diǎn)；復(fù)合管內(nèi)表面除焊縫外均較為光滑，無明顯腐蝕痕跡。

由圖3可見，基管腐蝕較為嚴(yán)重，管壁已被侵蝕掉大部分；腐蝕嚴(yán)重的基管內(nèi)壁表現(xiàn)出潰瘍狀腐蝕深坑。焊縫內(nèi)表面出現(xiàn)失效，在腐蝕性介質(zhì)、焊接殘余應(yīng)力及焊縫組織等因素[2-3]的綜合影響下，失效情況越來越嚴(yán)重，當(dāng)焊縫表面被完全蝕穿以后，流體可以通過失效點(diǎn)與基管接觸，在腐蝕性流體的長期侵蝕下,基管發(fā)生腐蝕穿孔。

(a)　外表面

(b)　內(nèi)表面圖2　失效管件宏觀形貌Fig. 2　Macroscopic morphology of the outer wall (a) and inner wall (b) of the failure pipe

圖3　刺漏點(diǎn)附近內(nèi)壁形貌Fig. 3　The morphology of inner wall near the failure point

沿圖3刺漏點(diǎn)剖開，管壁截面的腐蝕形貌如圖4所示。觀察發(fā)現(xiàn)，刺漏點(diǎn)附近腐蝕較為嚴(yán)重，基管已被腐蝕掉大部分，這與腐蝕性介質(zhì)與基管的接觸面積有關(guān)。腐蝕坑內(nèi)存在大量的腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕產(chǎn)物較為疏松。

圖4　刺漏點(diǎn)附近管壁截面的腐蝕形貌Fig. 4　The corrosion morphology of the cross-section of the pipe wall near the failure point

2　焊接過程模擬

雙金屬復(fù)合管的連接多采用焊接方式完成，但由于雙金屬復(fù)合管的內(nèi)襯與基管采用的材質(zhì)差異較大，不同材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)等物理性能差異也較大，在受熱過程中材料的變形量就不同，這就導(dǎo)致了雙金屬復(fù)合管在焊縫位置會(huì)有較大的應(yīng)力集中，為焊縫的腐蝕營造了條件。國內(nèi)外有關(guān)雙金屬復(fù)合管失效的研究也證明，其失效位置多集中于焊縫周圍。通過有限元技術(shù)對(duì)復(fù)合管對(duì)接焊接時(shí)的應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值仿真分析[4-5]。

由于模型的對(duì)稱性，可采用1/2模型進(jìn)行計(jì)算。通過插值法和外推法來確定模擬所需的材料的物理性能，采用單元內(nèi)部生熱作為焊接熱源，模擬過程中使用單元生死技術(shù)來完成焊料的逐步填充。雙金屬復(fù)合管的焊接多采用多層多道焊，筆者將分3層焊接來完成模擬過程。

運(yùn)用ANSYS的間接法(即先進(jìn)行溫度場分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在應(yīng)力分析中)進(jìn)行計(jì)算焊接過程的應(yīng)力場。通過ANSYS中的通用后處理器，分別沿模型外表面和內(nèi)表面垂直焊縫方向建立路徑，以觀察各節(jié)點(diǎn)在焊接完成后的殘余應(yīng)力情況。路徑示意圖見圖5。

圖5　路徑示意圖Fig. 5　Path schematic

由圖6可知，管道焊縫內(nèi)表面沿3個(gè)方向的最大應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大徑向應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力都出現(xiàn)在焊縫中心點(diǎn)附近，最大軸向應(yīng)力位于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的應(yīng)力波動(dòng)較大，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)向，為293.7 MPa，未達(dá)到材料的屈服極限。

由圖7可知，沿路徑的等效應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為279 MPa，出現(xiàn)在焊縫區(qū)，焊縫中心點(diǎn)應(yīng)力值稍?。辉跓嵊绊憛^(qū)范圍內(nèi)，隨著距焊縫中心距離的增加，等效應(yīng)力值迅速減小到14 MPa左右，波動(dòng)較大；之后應(yīng)力值在輕微增大之后又逐漸減小，并逐漸穩(wěn)定于一個(gè)很小的值。

計(jì)算結(jié)果顯示，雙金屬復(fù)合管焊接殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在焊縫區(qū)。

3　失效原因分析

(1) 焊接應(yīng)力和變形焊接殘余應(yīng)力是焊接過程中不可避免的，其產(chǎn)生是由于焊接過程中加熱和冷卻的不均勻性造成的，焊接殘余應(yīng)力的存在為焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕提供了條件[6]。應(yīng)力模擬結(jié)果顯示，焊后殘余應(yīng)力數(shù)值較大，盡管焊接殘余應(yīng)力沒有達(dá)到焊縫金屬的屈服極限，但較大的殘余應(yīng)力會(huì)降低材料的耐蝕性能，導(dǎo)致材料的腐蝕。

(2) 集輸介質(zhì)中含有腐蝕性介質(zhì)Cl-，且含量達(dá)到了110～120 g/L大量研究顯示，在不銹鋼的腐蝕形式中，點(diǎn)蝕是最常發(fā)生的一種，而材料的耐點(diǎn)蝕性能也一直是不銹鋼焊縫金屬耐腐蝕性能研究工作中的重點(diǎn)內(nèi)容，而Cl-是最典型的不銹鋼點(diǎn)蝕的誘發(fā)因素[7-8]。

(a)　徑向

(b)　環(huán)向

(c)　軸向圖6　沿路徑3個(gè)方向上的殘余應(yīng)力分布Fig. 6　Residual stress distribution along the path in radial direction (a), circumferential direction (b) and axial direction (c)

圖7　沿路徑焊縫等效應(yīng)力分布Fig. 7　Equivalent stress distribution of the weld along the path

Cl-是引起不銹鋼焊縫金屬點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的主要因素，在多種因素的作用下，Cl-將很快引發(fā)該部位的點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕及縫隙腐蝕，當(dāng)介質(zhì)與基管和焊縫接觸后還會(huì)引發(fā)電偶腐蝕。Cl-是點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕中腐蝕電池及閉塞電池形成所需的必要條件。研究顯示，介質(zhì)中Cl-質(zhì)量濃度在100 μg/L時(shí)就可導(dǎo)致不銹鋼的點(diǎn)腐蝕。

失效現(xiàn)場采用油氣集輸工藝，液體的存在為Cl-在底部的聚集創(chuàng)造了條件。由分析可知，刺漏點(diǎn)均位焊縫的起弧點(diǎn)附近，由焊接工藝原理可知，此管道焊接接頭的起弧點(diǎn)位于管道的下部，Cl-在管道底部的聚集又為該部位的失效創(chuàng)造了條件。

(3) 異材焊縫的原電池腐蝕作用不同的金屬材料接觸在一起，又在腐蝕介質(zhì)中，一部分電極電位低的材料為陽極，會(huì)產(chǎn)生腐蝕溶解。

4　結(jié)論

由于焊接結(jié)構(gòu)的特殊性，焊接殘余應(yīng)力是不可避免的因素，在高含CO2和Cl-、高溫、高壓的腐蝕環(huán)境下，隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增加，焊縫基體在Cl-的作用下就會(huì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕，隨著點(diǎn)腐蝕的深入，引發(fā)應(yīng)力腐蝕，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，隨著腐蝕的加劇最終導(dǎo)致了焊縫的失效。焊接過程中的偶然因素(焊接缺陷)也會(huì)造成應(yīng)力集中，促進(jìn)焊縫的失效，同時(shí)為點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件；而集輸介質(zhì)中含有液體、Cl-在管道底部起弧點(diǎn)附近聚集，加劇了焊縫的點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕，內(nèi)層焊縫蝕穿以后，由于焊縫與碳鋼的電極電位不同，流體與基管和焊縫接觸后形成電偶腐蝕形態(tài)，加速了管道的失效，直至刺漏。

[1]李頌宏. 實(shí)用長輸管道焊接技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:85-107.

[2]陳匡民. 過程裝備腐蝕與防護(hù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001:53-55.

[3]顧寶珊,紀(jì)曉春,劉建華. 奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂[J]. 石油化工腐蝕與防護(hù),2005,2(6):41-44.

[4]ANSYS Inc ANSYS advanced analysis procedures guide[Z]. Twelfth Edition. USA:SAS IP Inc,2001.

[5]李良碧,潘廣善,萬正權(quán),等. 高強(qiáng)鋼錐柱結(jié)合殼焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[J]. 船舶力學(xué),2010,14(10):1143-1150.

[6]田錫唐. 焊接結(jié)構(gòu)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981:1-61.

[7]BERTOCCI U,KRUHER J. Studies of passive film breakdown by detection and analysis of electrochemical noise[J]. Science,1980,101:608.

[8]王榮光,魏云,張清廉. 奧氏體不銹鋼SUS316及SUS316L在含Cl-的飽和H2S水溶液中的應(yīng)力腐蝕行為研究[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2000,20(1):47-53.

Failure Reasons for 20G/316L Double Metal Composite Pipe

CHEN Hao1, GU Yuan-guo2, JIANG Sheng-fei3

(1. School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China；2. Sichuan Technology & Business College, Chengdu 611837, China；3. Shu′nan Gas Mine, Southwest Oil & Gas Field Company, Luzhou 646000, China)

In order to ascertain the failure reasons for the 20G/316L bimetallic composite pipe used in a domestic gas field, the failure morphology of the samples was analyzed and the welding process was simulated with ANSYS. It was found that the lower part of the pipe near the starting point of the weld was seriously corroded, and pitting was the main corrosion form, and the welding stress played a significant role in promoting and inducing the failure. The failure reasons of 20G/316L bimetallic composite pipe were welding stress, Cl-and galvanic corrosion.

double metal composite pipe; weld; failure; corrosion; simulation

2014-11-18

江勝飛(1987-),助理工程師,碩士,從事技術(shù)管理工作,13438829447,jiang.shengfei@163.com

失效分析

10.11973/fsyfh-201512019

TG174

A

1005-748X(2015)12-1194-04