L360QS管道環(huán)焊縫泄漏失效分析

楊　坤，沙　婷，張繼明，池　強(qiáng)，馮耀榮，楊成軍

(1.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710077；2．中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所　陜西　西安　710054；3．中國石油西南油氣田分公司　四川　成都　610051)

?

·失效分析與預(yù)防·

L360QS管道環(huán)焊縫泄漏失效分析

楊坤1，沙婷2，張繼明1，池強(qiáng)1，馮耀榮1，楊成軍3

(1.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安710077；2．中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所陜西西安710054；3．中國石油西南油氣田分公司四川成都610051)

利用力學(xué)性能分析、X射線探傷和微觀組織分析等研究方法對L360QS管道環(huán)焊縫的泄漏原因進(jìn)行了系統(tǒng)研究和分析。射線檢測結(jié)果表明相鄰未失效環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷；失效環(huán)焊縫除開裂部分外，未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷。理化性能檢測結(jié)果表明母材及環(huán)焊縫符合標(biāo)準(zhǔn)要求。裂紋從環(huán)焊縫根焊部位起裂，沿著靠近直管一側(cè)的熔合線擴(kuò)展，焊縫根焊部位附近有氧化物存在。裂紋由環(huán)焊縫根焊部位起裂，向外壁輻射擴(kuò)展，屬于脆性斷裂，斷口處存在硫化物和氧化物，為H2S應(yīng)力腐蝕開裂所引起的管道失效。關(guān)鍵詞：管道；泄露；環(huán)焊縫；力學(xué)性能；顯微組織

0　引　言

我國幅員遼闊，礦產(chǎn)豐富，然而資源分布極不平均。油氣資源是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱，油氣的管道運(yùn)輸是油氣輸送的重要方式之一。由于高壓、大輸量的輸送條件，管道口徑、輸送壓力和鋼級不斷提高，管道的安全問題是管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營環(huán)節(jié)中需要著重考慮和研究的問題[1，2]。在服役過程中，輸送管線需要面對內(nèi)、外不同的環(huán)境影響[3]，如焊接缺陷、氣體組分、腐蝕、內(nèi)壓、土壤約束、地殼運(yùn)動(dòng)等。這些因素均會影響管道的安全服役，從而引起災(zāi)難性后果[4,5]。

1　簡　介

國內(nèi)某一集氣站鏈接管線工程全長4.3 km，工程用鋼管外徑尺寸為323.9 mm，鋼級L360QS，設(shè)計(jì)壓力8.5 MPa，設(shè)計(jì)輸量300×104m3/d。工程于2014年12月13日開工，2015年1月21日收焊。2015年1月20日18點(diǎn)05分，磨溪13井～西北區(qū)集氣站采氣管線全線完成清管作業(yè)，22日8:30開始對采氣管線進(jìn)行強(qiáng)度壓力試驗(yàn)，壓力于1月25日13:00時(shí)升至10.7 MPa，并穩(wěn)壓4 h，21:10時(shí)，卸壓至8.5 MPa，進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，穩(wěn)壓24 h后，經(jīng)檢查管道本體及各種配件連接處無開裂、無滲漏，管道壓力試驗(yàn)合格。2015年1月26日完成嚴(yán)密性試壓，2015年2月10日站場停氣碰口完成，2015年3月16日進(jìn)行中間交工后投產(chǎn)。2015年3月17日中午12:55發(fā)生管道爆裂事故。經(jīng)排查、開挖后發(fā)現(xiàn)，管道斷裂位置為直管與彎管相連接的環(huán)焊縫處。失效焊縫位于順氣流方向7點(diǎn)～11點(diǎn)；裂縫長度400 mm；最大寬度10 mm，現(xiàn)場照片如圖1所示。隨后在將泄漏管段進(jìn)行切割，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行泄露原因分析。

圖1　管道失效現(xiàn)場

2　試驗(yàn)材料和方法

失效樣品為一段L360QS無縫管與L360QS熱煨彎管相連的管段，直管規(guī)格為OD323.9 mm×8.8 mm，熱煨彎管規(guī)格為OD323.9 mm×12.5 mm，斷裂位置為兩管相連的環(huán)焊縫處，如圖2所示。試驗(yàn)材料取失效環(huán)焊縫、失效環(huán)焊縫兩端直管與彎管母材以及相鄰的未失效環(huán)焊縫材料，進(jìn)行一系列的理化檢驗(yàn)和測試。

圖2　失效樣品

3　試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1外觀形貌與尺寸測量

經(jīng)過外檢和測量發(fā)現(xiàn)，樣品外壁及斷口處有明顯銹蝕，內(nèi)壁沒有明顯的腐蝕。斷裂位置為直管A與彎管相連的環(huán)焊縫處，位于順氣流方向7點(diǎn)～11點(diǎn)；裂縫長度約400 mm；最大寬度約10 mm，斷口較平，屬于脆性斷裂。

圖3是所取的失效樣品解剖前的測量位置及測量結(jié)果示意圖。將圖2所示的失效樣品解剖后，對其幾何尺寸進(jìn)行了測量，測量結(jié)果見表1。直管A與彎管壁厚相差約為3.8 mm，失效環(huán)焊縫直管側(cè)焊縫與彎管側(cè)焊縫厚度差約為4.4 mm(見表1、圖3)。

表1　測量結(jié)果

圖3　失效樣品解剖前測量位置及結(jié)果

3.2X射線探傷

采用XXQ-2505型射線探傷儀對失效環(huán)焊縫和相鄰未失效環(huán)焊縫，如圖4所示，進(jìn)行X射線探傷。選用180 kV的管電壓，在3 min的曝光時(shí)間下以單壁單影的透照方式進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：未失效環(huán)焊縫沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；失效環(huán)焊縫的未開裂部分也沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

圖4　探傷樣品

3.3理化性能分析

依照委托單位所提供的《集輸工程L360無縫鋼管通用技術(shù)條件》、《集輸工程L360QS熱煨彎管通用技術(shù)條件》以及《SYT 0452-2012 石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》的要求，對所取樣品進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊、硬度測試和金相分析，評判樣品母材和環(huán)焊縫理化性能是否滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

3.3.1化學(xué)成分分析

采用ARL 4460直讀光譜儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A751-14標(biāo)準(zhǔn)對直管母材、彎管母材、失效環(huán)焊縫和相鄰未失效環(huán)焊縫進(jìn)行了化學(xué)成分測試，結(jié)果見表2。可以看出，鋼管母材、環(huán)焊縫的化學(xué)成分均滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

表2　鋼管化學(xué)成分分析結(jié)果

注：*碳當(dāng)量(CEIIW)按下列公式計(jì)算；CEIIW=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。

3.3.2拉伸性能試驗(yàn)

鋼管母材和環(huán)焊縫的拉伸試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為UH-F500KNI型拉伸試驗(yàn)機(jī)。母材拉伸試樣取全壁厚板狀試樣，規(guī)格為38.1 mm×50 mm(寬×標(biāo)距)；環(huán)焊縫拉伸試樣取全壁厚板狀試樣，規(guī)格為25 mm×300 mm(寬×長)。母材試樣取橫向位置，環(huán)焊縫試樣取縱向位置。母材試樣拉伸試驗(yàn)前，進(jìn)行了冷壓平處理。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，鋼管母材及環(huán)焊縫的拉伸試驗(yàn)結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

3.3.3夏比沖擊試驗(yàn)

采用PIT752D-2型沖擊試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》對鋼管的母材、環(huán)焊縫及熱影響區(qū)分別進(jìn)行了夏比沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為-10℃。直管母材橫向試樣規(guī)格為7.5 mm×10 mm×55 mm，彎管母材橫向試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，環(huán)焊縫試樣的規(guī)格為5 mm×10 mm×55 mm，缺口為V型垂直于鋼管表面，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

將沖擊功換算成全尺寸試樣的沖擊功，可看出母材、失效環(huán)焊縫、未失效環(huán)焊縫的沖擊功均滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

表3　鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4　鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果(-10℃)

3.3.4硬度測試

采用KB 30BVZ-FA型硬度測試儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第l部分：試驗(yàn)方法》對鋼管母材、焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行硬度試驗(yàn)。測試位置如圖5所示，結(jié)果見表5和表6。

根據(jù)委托單位所提供的《集輸工程L360無縫鋼管通用技術(shù)條件》、《集輸工程L360QS熱煨彎管通用技術(shù)條件》以及《SYT 0452-2012 石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》的要求，鋼管母材、焊縫最大允許硬度值為250 HV10。由表5、表6可知，鋼管母材、環(huán)焊縫硬度測試結(jié)果均滿足要求。

圖5　對焊環(huán)焊縫及母材硬度示意圖

失效環(huán)焊縫試驗(yàn)位置123456789硬度值(HV10)175178184214220170167168183失效環(huán)焊縫試驗(yàn)位置1011121314////硬度值(HV10)198201193167186////直管A試驗(yàn)位置123456789硬度值(HV10)165169177185176181193188191

表6　維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果2

3.4組織及斷口分析

3.4.1顯微組織試樣取樣

在失效環(huán)焊縫開裂處進(jìn)行線切割，共切取6塊樣品，分別標(biāo)為1#、2#、3#、4#、5#、6#，如圖6所示。同時(shí)取相鄰未失效環(huán)焊縫、直管母材、彎管母材試樣進(jìn)行微觀組織分析。

其中1#和4#樣品取自為焊縫開裂最大處的斷口，5#、6#為4#樣品沿著徑向方向兩邊相鄰的試樣，3#、4#為1#樣品沿著徑向方向兩邊相鄰的試樣，隨后對斷口樣品及其縱向沿著壁厚方向的剖面進(jìn)行顯微組織分析。

圖6　失效環(huán)焊縫取樣位置及示意圖

3.4.2金相分析

采用MeF3A金相顯微鏡和MeF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298-1991、GB/T 4335-2013、ASTM E45-2005及ASTM E112-1196對鋼管母材、環(huán)焊縫進(jìn)行了金相分析，金相組織如圖7所示。

失效環(huán)焊縫金相試樣填充層為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+多邊形鐵素體+魏氏體鐵素體+珠光體組織(圖7b)，根焊為多邊形鐵素體+珠光體組織(圖7c)，熔合區(qū)為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體組織(圖7d)，母材為正常組織(圖7a)，晶粒度、夾雜物和帶狀組織級別符合技術(shù)規(guī)格書的要求。

圖7　失效環(huán)焊縫直管側(cè)母材及焊縫金相組織

未失效環(huán)焊縫試樣根焊部位靠近直管側(cè)焊趾處有微裂紋形成,如圖8所示，裂紋深度約0.4 mm，裂紋開口處為根焊底部熔合線處。圖8(d)為未失效環(huán)焊縫焊接接頭橫截面宏觀形貌，焊縫有約2.4 mm的錯(cuò)邊。

圖8　失效環(huán)焊縫彎管側(cè)母材及焊縫金相組織

3.4.3斷口分析

采用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡及XFORD INCA350能譜分析儀對失效環(huán)焊縫斷口試樣進(jìn)行了電鏡觀察和能譜分析。

圖9為起裂源區(qū)斷口宏觀SEM形貌，可以看出，整個(gè)斷口表面較為平直，表現(xiàn)為脆性斷裂特征，在起裂源沿內(nèi)部線性分布多個(gè)起裂平臺，為多源起裂。裂紋從管道內(nèi)壁處起裂，向著管道外壁擴(kuò)展，如圖9黑色箭頭所示。

圖9　1#(左)和2#(右)試樣斷口SEM形貌(宏觀)

圖10為1#試樣的斷口顯微組織照片，斷口中部及靠近內(nèi)壁部位附著有大量深色物質(zhì)，難以觀測到斷口組織形貌。通過能譜分析可知，斷口處的深色物質(zhì)為氧化物和硫化物(圖10(b)、圖10(c))。

圖10　1#試樣斷口SEM形貌及元素含量

圖11為4#樣品及樣品A處的顯微組織。可以看到在根焊處附近有大量顆粒狀物體(圖11(b)中黑色箭頭所示)。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)有氧化物存在。圖12為未失效環(huán)焊縫微裂紋處的SEM形貌，經(jīng)過元素分析發(fā)現(xiàn)有氧化物存在。

4　討論與分析

對失效樣品進(jìn)行外觀檢測和尺寸測量，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的外損痕跡，管道內(nèi)壁沒有嚴(yán)重的腐蝕情況，管道外壁及斷口有銹蝕痕跡。管道斷裂位置為直管A與彎管相連的環(huán)焊縫處，斷口位于順氣流方向7點(diǎn)～11點(diǎn)；裂縫長度約400 mm；最大寬度約10 mm，斷口較平，屬于脆性斷裂。

圖11　4#試樣及A處SEM形貌

圖12　相鄰未失效環(huán)焊縫微裂紋處掃描電鏡形貌及元素含量

對送檢樣品進(jìn)行了X射線探傷，相鄰未失效環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷；失效環(huán)焊縫除開裂外，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。通過對取樣管段的母材、失效環(huán)焊縫、相鄰環(huán)焊縫進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)等理化性能檢測，結(jié)果表明各項(xiàng)性能均符合相關(guān)技術(shù)條件的要求。

對斷口剖面組織進(jìn)行觀察，斷口位于焊縫靠近直管一側(cè)熔合區(qū)，斷口附近焊縫組織與環(huán)焊縫組織相同，斷口周圍無異常組織。觀察斷口發(fā)現(xiàn)，斷口較平，沒有明顯的剪切撕裂變形，有凸臺，屬于脆性斷裂，裂紋由管道內(nèi)壁根焊部位起裂，向管道外壁輻射擴(kuò)展(圖9)。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，斷口處有大量氧化產(chǎn)物(氧化層較厚)及硫化物，可以推測斷裂性質(zhì)屬于H2S應(yīng)力腐蝕開裂。

未失效環(huán)焊縫有較大錯(cuò)邊，約為2 mm 左右，且在內(nèi)焊縫靠近直管側(cè)的焊趾處有微裂紋產(chǎn)生，經(jīng)能譜分析有氧化物和硫化物存在。

由于斷口氧化層較厚，難以觀察其原始形貌。為了尋找起裂源，對失效樣品斷裂最大處(裂紋源)的斷口剖面試樣進(jìn)行微觀組織觀察及能譜分析。通過斷口剖面SEM觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫根焊部位附近有大量顆粒狀物體存在，經(jīng)能譜分析為氧化物，而在裂紋擴(kuò)展末端的焊縫根焊附近未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化物存在。

此外根據(jù)委托方對現(xiàn)場環(huán)境描述，失效管段鋪設(shè)地點(diǎn)周圍有水田，土壤較軟，應(yīng)力情況復(fù)雜，有附加載荷存在。

綜合分析，由于焊縫焊趾屬于環(huán)焊縫的薄弱環(huán)節(jié)，且焊縫根焊靠近直管側(cè)有較多的氧化物存在。這些氧化物屬于夾雜，在內(nèi)(內(nèi)壓)、外(外界附加載荷)載荷的綜合作用下，易在其附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起周圍金屬萌生裂紋。不僅如此，管道的輸送氣體介質(zhì)還有較高濃度的H2S，而且是濕氣，有水的存在。H2S易溶于水，在水中發(fā)生電離，電離方程如下：

H2S →H++ HS-

HS-→H++ S2-

Fe 在濕H2S 環(huán)境中發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe →Fe2 ++ 2e

Fe2 ++ S2 -→FeS

氫離子吸收鐵原子放出的電子而轉(zhuǎn)變成氫原子。而反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子，一部分結(jié)合成氫氣從表面溢出，另一部分?jǐn)U散入金屬內(nèi)部，在材料組織缺陷部位或裂紋尖端周圍聚集，使材料發(fā)生脆化，減小了裂紋尖端的擴(kuò)展阻力，并使材料發(fā)生開裂。由于有水、應(yīng)力集中和H2S氣體，且有裂紋形成，上述因素的存在滿足了硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的條件，會引起硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致管道在低壓環(huán)境工作時(shí)(未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力)發(fā)生斷裂，形成較平的脆性斷口。

5　結(jié)　論

1)射線檢測結(jié)果表明相鄰未失效環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷；失效環(huán)焊縫除開裂部分外，未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷。理化性能檢測結(jié)果表明母材及環(huán)焊縫符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)裂紋從環(huán)焊縫根焊部位起裂，沿著靠近直管一側(cè)的熔合線擴(kuò)展，焊縫根焊部位附近有氧化物存在。

3)裂紋由環(huán)焊縫根焊部位起裂，向外壁輻射擴(kuò)展，屬于脆性斷裂，斷口處存在硫化物和氧化物，為H2S應(yīng)力腐蝕開裂所引起的管道失效。

[1] Okonkwo, R A Shakoor, Essam Ahmed, A M A Mohamed, Erosive wear performance of API X42 pipeline steel[J]. Engineering Failure Analysis, 2016, 60: 86-95.

[2] B. Tanguy, T T Luu, G Perrin, et al. Plastic and damage behaviour of a high strength X100 pipeline steel: Experiments and modelling[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008, 85(5):322-335

[3] Bin He, Chun hui Lu, Peng ju Han, et al. Short-term electrochemical corrosion behavior of pipeline steel in saline sandy environments[J]. Engineering Failure Analysis, 2016, 59:410-418.

[4] Pengyan Wang, Zhenguo Lv, Shuqi Zheng, et al. Tensile and impact properties of X70 pipeline steel exposed to wet H2S environments[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(35):11514-11521.

[5] Yuyan Liu, Xirong Bao, Lin Chen,et al. Rare earth microalloied elements’ influence on the organization and capability of X65 pipeline steel [J]. Journal of Rare Earths, 2010, 28: 497-500.

Failure Analysis of Leakage for the Girth Weld of L360QS Pipeline

YANG Kun1, SHA Ting2, ZHANG Jiming1, CHI Qiang1, FENG Yaorong1, YANG Chengjun3

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials，Xi′an,Shaanxi710077,China;2.TheNo.771InstituteofNinthAcademyofChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation,Xi′an,Shaanxi710054,China;3.PetroChinaSouthwestoil&GasfieldCompany，Chengdu,Sichuan610051,China)

The leakage reasons for the girth weld of L360QS pipeline was investigated through mechanical properties test, X-ray inspection and microstructure analysis by scanning electron microscope. The results show that the exceeding defects in the girth weld cannot be found by X-ray inspection without the cracking part, but the results of tests for base metal and weld conform to the standard. The crack initiation is in the root weld of the pipe, propagates along fusion line which is close to the straight pipe, and the oxides are found in the root weld. The crack starts from the root weld, propagates to the surface, the oxides and sulfides exist in the brittle fracture, so the reason for the failure is the hydrogen sulfide stress corrosion cracking.

leakage; girth weld; mechanical property; microstructure

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51404294)。陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號2011JQ6017)

楊坤，男，1985年生，博士，工程師，2013年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)就職于石油管工程技術(shù)研究院輸送管與安全評價(jià)研究所，主要從事天然氣管道斷裂機(jī)理及控制方面研究。E-mail: kunyang073@cnpc.com.cn

TG441.7

A

2096-0077(2016)04-0051-08

2016-04-11編輯：葛明君)