油氣輸送用彎管失效原因及典型案例分析

仝　珂，謝學(xué)東，李　亮，朱麗霞，何小東

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077)

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油氣輸送用彎管失效原因及典型案例分析

仝珂，謝學(xué)東，李亮，朱麗霞，何小東

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室陜西西安710077)

摘要:基于失效控制技術(shù)，統(tǒng)計分析了2000年～2015年由石油管工程技術(shù)研究院完成的彎管失效分析案例，并介紹了幾起典型的彎管失效事故案例。油氣輸送用彎管失效原因有三大類:熱煨工藝不當(dāng)、原材料缺陷及服役環(huán)境。失效原因不同，防治重點也不同。主要防治措施有:改進(jìn)彎管制造工藝，加強(qiáng)現(xiàn)場管理和質(zhì)量控制;加強(qiáng)母管入廠及彎管出廠前的無損檢測工作;定期檢查服役彎管的壁厚減薄情況等。

關(guān)鍵詞:彎管;失效分析;失效原因;典型案例

0　引言

管道運輸作為五大運輸方式之一，在油氣輸送中發(fā)揮著越來越大的作用。我國油氣管道在“十一五”和“十二五”期間發(fā)展迅速，建成了西氣東輸(二線、三線)、中亞管線(B線、C線)、中緬管線、陜京三線等油氣戰(zhàn)略通道。同時，中俄管線、新粵浙管線等重點管道工程已經(jīng)在積極籌劃之中。此外，油田集輸管網(wǎng)和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的管道長度約幾十萬千米，也是油氣管道的重要組成部分。

油氣管道會因外部干擾、管材、腐蝕和施工質(zhì)量等因素發(fā)生失效事故，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒，進(jìn)而可能造成重大人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境污染［1］。其中，彎管作為油氣輸送管道的關(guān)鍵組成部分，往往承受更復(fù)雜的應(yīng)力和苛刻的工況，彎管的失效風(fēng)險因而隨之增加［2］。因此，為了保障油氣管道的安全可靠運行，需要特別關(guān)注彎管的失效控制。

失效控制是從技術(shù)層面保障油氣管道安全運行的重要措施之一，主要是對油氣管道的失效模式、失效原因和機(jī)理進(jìn)行診斷，研究提出控制失效的措施。目前，我國失效控制意識相對比較淡薄。失效控制與完整性管理是并重的，將兩者綜合起來，可以最大限度地杜絕惡性事故的發(fā)生，全方位保障油氣管道的安全運行［3］。因此，本文基于失效控制技術(shù)，分析了在2000～2015年由石油管工程技術(shù)研究院完成的彎管失效分析案例，對其失效原因進(jìn)行了分類，為油氣管道的安全運行提供一定參考。

1　彎管常見失效原因

筆者統(tǒng)計分析了石油管工程技術(shù)研究院在2000～2015年間完成的彎管失效分析案例，主要涉及西氣東輸管道、成品油管道、南海荔灣項目、油田井下壓裂高壓管件與油田內(nèi)部管網(wǎng)等。發(fā)現(xiàn)油氣輸送用彎管的常見失效原因有三大類:熱煨工藝不當(dāng)、原材料缺陷及服役環(huán)境，如圖1所示。具體失效原因歸類及數(shù)量統(tǒng)計見表1及圖2。由表1及圖2可見:因服役環(huán)境造成的失效事故共14起，主要失效原因為表面腐蝕、沖蝕。因熱煨工藝不當(dāng)所造成的失效事故有12起。彎管母管存在大型夾雜物造成的失效事故有8起，也占據(jù)不小比例。

圖1　油氣輸送用彎管常見失效原因

表1　2000年～2015年油氣輸送用彎管失效原因及數(shù)量統(tǒng)計分析

圖2　2000～2015年油氣輸送用彎管常見失效原因統(tǒng)計圖

2　彎管失效事故的典型案例

2.1熱煨工藝不當(dāng)造成的管體組織異常

2014年8月23日，國內(nèi)某油田公司服役的哈6聯(lián)外輸氣管線用Φ273 mm×9 mm L360NB感應(yīng)加熱彎管突然發(fā)生爆裂。彎管外弧側(cè)中間部位爆裂開近1 200 mm的大孔，從中間分為兩部分，一個爆裂片已飛走，另一片只有一邊與彎管相連，如圖3所示。

試驗分析后發(fā)現(xiàn)，彎管并未受到機(jī)械損傷及環(huán)境腐蝕。但是彎管的外弧側(cè)力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，外弧側(cè)的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求的上限，伸長率因過小而不合格;同時，外弧側(cè)的夏比沖擊值也嚴(yán)重不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。進(jìn)一步對斷口進(jìn)行組織及裂紋分析后表明，彎管起裂處組織全部為脆性的馬氏體組織如見圖4所示。其產(chǎn)生的主要原因是在彎管制造過程中，由于其橫截面加熱溫度分布不均勻，彎曲段外弧側(cè)加熱溫度高，而冷速又過快，導(dǎo)致外弧側(cè)出現(xiàn)了高強(qiáng)度、低韌性的馬氏體組織，屬于彎管熱煨制工藝不當(dāng)。彎管在制造中由于熱處理過程和彎曲壓力的不穩(wěn)定，可能在彎管外弧側(cè)產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋可在一定彎管內(nèi)壓力作用下發(fā)生脆性裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂或管線的爆裂。

圖3　彎管爆裂失效后照片

圖4　彎管斷口附近金相組織

2.2銅污染(銅脆)

2011年11月，在對某深水油氣田項目用Φ762 mm ×31.8 mm X70感應(yīng)加熱彎管進(jìn)行外防腐時，發(fā)現(xiàn)其中一件彎管外弧側(cè)存在開裂現(xiàn)象。裂紋分布在19 mm×25 mm區(qū)域內(nèi)，宏觀照片見圖5所示。

經(jīng)失效研究分析，彎管的化學(xué)成分、夏比沖擊及硬度等試驗結(jié)果符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，而外弧側(cè)管體拉伸強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在對彎管的裂紋分析后發(fā)現(xiàn)，裂紋內(nèi)存在黃色金屬物質(zhì)，裂紋擴(kuò)展沿晶界分布。結(jié)合掃描電鏡能譜分析顯示，裂紋內(nèi)黃色金屬物質(zhì)為銅元素，如圖6～圖7所示。彎管的這種失效原因一般稱為銅污染(或銅脆)，產(chǎn)生原因是在彎管感應(yīng)加熱煨制過程中，因工藝不當(dāng)使鋼管受到銅污染，在高溫下銅不能固溶于鋼中，鋼與鐵形成低熔點共晶物存在鋼中晶粒邊界，使管材的強(qiáng)度和延展性降低。彎管在制造過程中承受了拉應(yīng)力而發(fā)生了銅脆開裂［4］。

圖5　彎管開裂區(qū)域宏觀形貌

圖6　彎管外弧側(cè)裂紋及裂紋內(nèi)黃色金屬物質(zhì)

圖7　彎管外弧側(cè)裂紋內(nèi)黃色金屬物質(zhì)(圖6　放大)

2.3大型夾雜(或夾渣)

2015年6月，中石化某成品油管線在管道使用前進(jìn)行水壓實驗時，規(guī)格為Φ457 mm×9.5 mm L415MB的感應(yīng)加熱彎管外弧側(cè)發(fā)生泄漏。彎管泄漏處有一條沿縱向長度約為23 mm的裂紋，沿橫向由許多細(xì)小的裂紋組成裂紋群，裂紋群長度約為100 mm，如圖8所示。對彎管開裂部分進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)位于彎曲段外弧側(cè)的泄漏部位有橫向、縱向裂紋及鑲嵌于內(nèi)部的異物存在(圖9～圖10)，且裂紋邊緣局部有脫碳現(xiàn)象(圖11)。塊狀異物來源于鋼坯中的夾渣，鋼坯中一旦存在夾雜，就會破壞材料的連續(xù)性，并形成局部應(yīng)力集中，在隨后的板卷軋制、制管及熱煨等型變加工中，夾渣就會成為彎管開裂的裂紋源，帶有裂紋的彎管在后續(xù)的現(xiàn)場水壓試驗過程中，在內(nèi)壓及應(yīng)力集中的共同作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致泄漏。

圖8　彎管表面橫向及縱向裂紋

圖9　彎管開裂處試樣剖面的缺陷形貌

圖10　裂紋及裂紋內(nèi)非金屬夾渣形貌

圖11　裂紋及周圍組織(裂紋附近存在脫碳)

2.4沖蝕磨損

2013年5月，中石油某井下作業(yè)公司在施工前試壓時，管匯車尾部最后一件高壓彎管發(fā)生爆裂。宏觀照片如圖12所示。沿彎管爆裂口剖開發(fā)現(xiàn)，彎管外弧側(cè)壁厚減薄嚴(yán)重，局部區(qū)域壁厚僅剩余1.7 mm(原壁厚為28mm)，而內(nèi)弧側(cè)壁厚未見減薄，如圖13所示。對彎管內(nèi)壁凹坑觀察分析后發(fā)現(xiàn)，凹坑具有明顯的沖蝕痕跡，可以確定彎管內(nèi)壁凹坑為壓裂液沖蝕產(chǎn)生的沖蝕坑。彎管沖蝕是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或角度對彎管材料表面進(jìn)行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過程，沖蝕有時也稱為沖蝕磨損。影響彎管沖蝕磨損的因素主要有壓裂液成分、使用因素和材料性能等方面。高壓彎管是壓裂高壓管匯中的重要組成部分，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，它更容易遭受壓裂液的沖刷腐蝕，彎管的沖蝕磨損比直管部分的磨損大約嚴(yán)重50倍。

圖13　沿爆裂口剖開彎管內(nèi)壁形貌

2.5內(nèi)表面腐蝕與沖蝕

2008年，某油田用油氣、混輸集輸管Φ168 mm×13 mm 16Mn埋地彎頭，使用5個多月彎頭底部開始出現(xiàn)穿孔、爆裂，大修后不久該處彎頭又發(fā)生爆管，不得不對其進(jìn)行了更換。對該失效彎頭進(jìn)行了分析后發(fā)現(xiàn)，失效原因主要由輸送介質(zhì)中的CO2腐蝕作用所產(chǎn)生的，其腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3如圖14～圖15所示。該彎管頂端內(nèi)表面的腐蝕溝槽，主要是腐蝕介質(zhì)和高速氣液夾雜固體顆粒沖刷作用所形成;該彎管腐蝕溝槽底部的裂紋是在腐蝕介質(zhì)和流體所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力形成的，最后在彎管底部刺穿。

3　結(jié)論與建議

1)彎管失效原因主要有三大類:熱煨工藝不當(dāng)、原材料缺陷及服役環(huán)境。

2)對于熱煨工藝不當(dāng)引起的管體組織異常，建議彎管在熱煨制過程中改進(jìn)生產(chǎn)工藝，嚴(yán)格執(zhí)行制造工藝規(guī)范，確保彎管各項性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書要求;對于銅污染，建議在彎管制造過程中，加強(qiáng)現(xiàn)場管理，杜絕母管與銅合金或者其他低熔點金屬接觸。

圖14　彎頭腐蝕坑底部裂紋及周圍組織

圖15　彎頭底部腐蝕產(chǎn)物X射線衍射分析結(jié)果

3)對于原材料缺陷，建議加強(qiáng)彎管母管入廠、彎管出廠前的無損檢測工作，防止有缺陷的母管進(jìn)廠、有裂紋的彎管出廠。

4)對于因服役環(huán)境造成的失效，建議應(yīng)定期采取有效的無損檢測方法(如超聲波檢測技術(shù))檢查彎管壁厚減薄狀況;其次在油氣進(jìn)入管線前可進(jìn)行脫水和雜質(zhì)處理，防止水分及固體顆粒(砂礫)隨油氣進(jìn)入管線對其腐蝕和沖擊的影響;另外可采用耐蝕性能較好的彎管。

5)為加強(qiáng)彎管的安全管理，應(yīng)重視失效分析工作?，F(xiàn)場可通過便攜式硬度計、金相、化學(xué)成分等檢測，確定管件是否存在問題。當(dāng)不影響搶修，可取下樣品及時送往第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行失效分析工作，以便總結(jié)分析事故原因。

參考文獻(xiàn)

［1］楊鋒平，羅金恒，張良，等.油氣輸送管失效案例與原因分析［C］/ / 2015管線鋼國際會議論文集.西安:石油管工程技術(shù)研究院，2015: 71－77.

［2］仝珂，韓新利，何小東，等.X80級感應(yīng)加熱彎管性能及靜水壓爆破試驗分析［J］.焊管，2010，33(11): 22－27.

［3］李鶴林.油氣管道失效控制技術(shù)［J］.油氣儲運，2011，30(6): 401－410..

［4］李平全.油氣輸送管道失效事故及典型案例［J］.焊管，2005，28(4): 76－84.

Failure Cause and Typical Case Analysis of Bending Pipe Used in Oil and Gas Transmission

TONG Ke，XIE Xuedong，Li Liang，ZHU Lixia，HE Xiaodong
(CNPC Tubular Goods Research Institute，State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:The cases of bending pipe failure performed by TGRI from 2000 to 2015 were statistically analyzed based on the failure control technology.Some typical cases were introduced.There are three types failure reasons of bending pipe used in oil and gas transmission，improper heat-bending process，raw material defects and service environment.Failure prevention methods are different due to different failures causes.The main prevention measures are improving the manufacturing process of the bending pipe，enhancing on－site management and quality control; strengthening the NDT before mother pipe into the factory and bending pipe delivery，and checking the wall thickness thinning of service pipe bending pipe.

Key words:bending pipe; failure analysis; failure cause; typical case

(收稿日期:2015－11－05編輯:屈憶欣)

第一作者簡介:仝珂，男，1983年生，工程師，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院獲碩士學(xué)位，目前從事油氣輸送管材失效分析及顯微組織和材料性能研究。E-mail: tongk@ cnpc.com.cn

中圖法分類號:TG157

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0046－04