X42輸油管道泄漏分析

池 強(qiáng)，張繼明，李麗鋒，王 珂，羅金恒

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077)

X42輸油管道泄漏分析

池 強(qiáng)，張繼明，李麗鋒，王 珂，羅金恒

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077)

利用力學(xué)性能檢測(cè)、無(wú)損探傷、腐蝕坑形貌觀察和XRD相分析等研究手段，對(duì)X42輸油管道試壓泄露原因進(jìn)行系統(tǒng)分析。分析結(jié)果表明：X42輸油管道具有良好的強(qiáng)韌性能，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)滿(mǎn)足管線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求；X42管道4點(diǎn)鐘至8點(diǎn)鐘位置管道內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，存在明顯的管道存蓄水腐蝕特征，并在管道內(nèi)壁6點(diǎn)鐘位置發(fā)現(xiàn)有多處點(diǎn)蝕坑；點(diǎn)蝕坑電鏡分析和腐蝕產(chǎn)物分析表明，點(diǎn)蝕坑位置存在較高濃度的Cl-，點(diǎn)蝕坑形貌表現(xiàn)為典型的Cl-誘發(fā)小孔腐蝕特征。因此，X42管道試壓泄漏是由于鋪設(shè)后的管道內(nèi)殘留含較高濃度Cl-的積水，積水中的Cl-誘發(fā)孔蝕所導(dǎo)致。建議已完成鋪設(shè)但未投用的油氣管道，在封存前應(yīng)進(jìn)行充分排水和干燥處理，避免類(lèi)似事故的發(fā)生。

管道；泄露；孔蝕；力學(xué)性能；顯微組織

0 引言

我國(guó)石油資源分布不均衡，客觀上形成了西油東運(yùn)、北油南下的基本配置格局。同時(shí)，我國(guó)油氣資源的低豐度也決定了進(jìn)口石油是國(guó)家基本的能源戰(zhàn)略措施之一。管道輸送是目前石油、天然氣運(yùn)輸?shù)淖罱?jīng)濟(jì)安全的運(yùn)輸方式。我國(guó)已經(jīng)建設(shè)鋪設(shè)了近16萬(wàn)km的油氣管道，構(gòu)成了國(guó)內(nèi)三縱三橫的能源大動(dòng)脈。并且隨著油氣能源消耗的增加，管道口徑、輸送壓力和鋼級(jí)不斷提高[1-6]。目前國(guó)內(nèi)油氣管道設(shè)計(jì)服役年限一般在30～50年，在運(yùn)行過(guò)程中，管道要經(jīng)受時(shí)效[7]、腐蝕[8]以及滑坡、地震等[9]自然災(zāi)害的影響，因此，管道運(yùn)行安全是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大事。

長(zhǎng)輸管道由于途經(jīng)不同的地域和土壤環(huán)境，且輸送物質(zhì)含有H和H2S腐蝕性介質(zhì)，HIC、SSCC、SCC等[10-12]腐蝕是長(zhǎng)輸管道面臨的主要問(wèn)題。在這方面國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量研究工作，通過(guò)在高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼中添加耐腐蝕合金元素和改善管道顯微組織結(jié)構(gòu)，大大提高了管道的耐蝕性能[13-14]。然而對(duì)于X60及以下級(jí)別管道，由于生產(chǎn)成本因素及生產(chǎn)工藝限制，其耐腐蝕性能存在較大問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)一成品油外輸管道，全長(zhǎng)近3 000 km，設(shè)計(jì)壓力3 MPa。2009年管道施工完成后，按照規(guī)范進(jìn)行了管道強(qiáng)度(3.75 MPa)和氣密性試驗(yàn)(3 MPa)，試驗(yàn)結(jié)果是管道完好。隨后根據(jù)管道建設(shè)工程管理規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)后管道進(jìn)行清管、掃水和封存作業(yè)。封存閑置5年后，2014年對(duì)該管道進(jìn)行投產(chǎn)運(yùn)行前的最后一次整體試壓試驗(yàn)，在試壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)管道壓降較大，為查找泄漏點(diǎn)，對(duì)支線(xiàn)管道進(jìn)行了分段切割試壓，以逐漸縮小查找范圍。在距離最近某一閥室16 km處進(jìn)行人工開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)地下出現(xiàn)泥漿并有水冒出，當(dāng)將管道全部挖出發(fā)現(xiàn)，管道6點(diǎn)鐘左右位置發(fā)生泄露，水柱成噴射狀從管道內(nèi)瀉出(圖1a所示)。隨后將泄漏管段進(jìn)行切割，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行泄露原因分析(圖1b所示)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為泄露鋼管長(zhǎng)度2 m的一管段，管段包含圖1中的泄露點(diǎn)。管道鋼級(jí)為X42，壁厚5.6 mm，鋼管直徑273 mm，鋼管為直縫電阻焊管(ERW)。鋼管主要化學(xué)成分為：0.11 C，0.15 Si，0.74 Mn，0.011 P，0.000 5 S(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)，其余為Fe。采用MX-5型超聲測(cè)厚儀對(duì)管段進(jìn)行壁厚測(cè)量，并利用X射線(xiàn)儀對(duì)管段進(jìn)行檢測(cè)。然后從管段上切取拉伸、沖擊、硬度及壓扁管環(huán)試樣，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)與分析。拉伸試驗(yàn)采用全壁厚板狀試樣，試樣尺寸為38.1 mm×50 mm(寬×標(biāo)距)，拉伸試驗(yàn)在UH-F500KNI型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)采用V型缺口夏比試樣，尺寸為3.3 mm×10 mm×55 mm，沖擊試樣在PIT752D-2型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并依據(jù)GB/T 229—2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)鋼管分別進(jìn)行了母材、焊縫及熱影響區(qū)夏比沖擊性能測(cè)試，試驗(yàn)溫度為-10 ℃。采用KB 30BVZ-FA型硬度測(cè)試儀，依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第l部分：試驗(yàn)方法》對(duì)鋼管母材、焊縫及熱影響區(qū)分別進(jìn)行了硬度測(cè)試試驗(yàn)。壓扁試驗(yàn)依據(jù)GB/T 246—2007《金屬管壓扁試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣規(guī)格為100 mm長(zhǎng)的管狀試樣，壓扁試驗(yàn)在UH-F500KNI型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

圖1 管道泄露點(diǎn)的形貌照片F(xiàn)ig.1 Morphology of leakage point of X42 line pipe

另外，從管段上切取金相試樣，在MeF3A金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡上進(jìn)行顯微組織分析。把含有泄露點(diǎn)和X射線(xiàn)檢測(cè)到含有缺陷的異常位置切下，進(jìn)行缺陷形貌分析，并在掃描電鏡下進(jìn)行觀察與分析。取管道泄露點(diǎn)附近內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物，利用X射線(xiàn)衍射儀(XRD)進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壁厚測(cè)量

圖2為管段壁厚測(cè)量示意圖，泄露點(diǎn)位于油流動(dòng)方向6點(diǎn)鐘位置，依據(jù)GB/T 11344—2008，按逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量2點(diǎn)、4點(diǎn)、6點(diǎn)、8點(diǎn)、10點(diǎn)及12點(diǎn)鐘方向6個(gè)點(diǎn)的截面環(huán)帶壁厚，環(huán)帶測(cè)量間隔20 cm，一共測(cè)量了5個(gè)截面環(huán)帶壁厚，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出：其中最大平均壁厚為5.55 mm，位于2點(diǎn)鐘位置；平均壁厚最小值為5.28 mm，位于6點(diǎn)鐘位置。與原始壁厚相比，6點(diǎn)鐘位置壁厚出現(xiàn)顯著腐蝕減薄現(xiàn)象。

2.2 X射線(xiàn)檢測(cè)

為了方便檢測(cè)，將管段切割為P1、P2和P3的小管段，如圖3所示。采用XXQ-2505型射線(xiàn)探傷儀，選用150 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，對(duì)切割后管段的3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘位置(泄漏點(diǎn)位置為6點(diǎn)鐘)進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明在3段管段的6點(diǎn)鐘位置共發(fā)現(xiàn)5處明顯可見(jiàn)的缺陷，而3點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘位置檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。檢出的缺陷均為圓形點(diǎn)狀。

2.3 力學(xué)性能

表3和表4分別是X42鋼管拉伸、夏比沖擊和硬度性能試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，管體和焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足和高于GB/T 11344—2008的技術(shù)要求。1/3尺寸厚度的沖擊韌性換算成全尺寸試樣沖擊值，遠(yuǎn)高于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明試驗(yàn)X42鋼管具有良好的強(qiáng)韌性能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，按照?qǐng)D4硬度檢測(cè)示意圖獲得的X42硬度值。標(biāo)準(zhǔn)要求X42焊縫維氏硬度值應(yīng)小于HV10240，鋼管焊縫硬度值分布均勻，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)硬度要求。

圖2 鋼管環(huán)帶壁厚測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic illustration of measuring wall thickness of line pipe

圖3 管段切割和缺陷位置示意圖Fig.3 Schematic illustration of cutting pipe section and defect position

DefectpositionDefectdescriptionLeakagepointA2upstream400mm5mmCirculardefectLeakagepoint40mmCirculardefectLeakagepointA2downstream150mm7mmCirculardefectLeakagepointA2downstream216mm8mmCirculardefectLeakagepointA2downstream469mm6mmCirculardefect

圖5為X42全尺寸鋼管壓扁后的形貌，壓扁試驗(yàn)結(jié)果表明，把試樣分別置于偏離焊縫0°、90°位置，壓至(2/3)D、(1/3)D至貼合后，焊縫及以外表面均無(wú)裂紋，且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中鋼管表面未出現(xiàn)分層缺欠或金屬過(guò)燒，滿(mǎn)足《直縫電阻焊鋼管技術(shù)規(guī)格書(shū)》要求。

表3 鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Tensile properties of line pipe

表4 鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Charpy impact toughness of line pipe J

圖4 焊接接頭硬度測(cè)試示意圖

2.4 金相分析

圖6為X42管體和ERW焊縫的金相組織圖。X42金相組織為鐵素體和少量珠光體組織，鐵素體和珠光體晶粒細(xì)小，焊縫組織和母材組織一致，晶粒細(xì)小均勻。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)GB/T 13298—2015、GB/T 4335—2013、ASTM E45—2013及ASTM E112—2013對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行了金相評(píng)級(jí)為10級(jí)，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 壓扁試驗(yàn)后的試樣形貌Fig.5 Sample surface after flattening testing

2.5 缺陷分析

根據(jù)X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果，把含有缺陷鋼管從3點(diǎn)鐘至9點(diǎn)鐘位置進(jìn)行剖分，把檢測(cè)獲得的圓形缺陷按C1～C5進(jìn)行編號(hào)，其中C2、C3為穿孔泄露點(diǎn)。利用線(xiàn)切割機(jī)按照?qǐng)D7中缺陷的位置從管體上切割下來(lái)，并沿3點(diǎn)至9點(diǎn)中位置把管段對(duì)剖，對(duì)剖后內(nèi)壁形貌見(jiàn)圖7。然后再把含有缺陷的小試樣切下，并沿腐蝕坑中間位置對(duì)剖，剖開(kāi)后的缺陷內(nèi)部形貌見(jiàn)圖8。由圖7可以看出，X射線(xiàn)檢測(cè)獲得的圓形缺陷在管道內(nèi)壁上以“針孔”形貌出現(xiàn)，非常細(xì)小，不仔細(xì)檢查，幾乎用眼睛無(wú)法看到；但打開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)“針孔”下面管壁內(nèi)，已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，形成葫蘆口式的孔洞。這種腐蝕形貌符合典型的“小孔腐蝕”或“孔蝕”特征。

圖6 X42母材和ERW焊縫金相組織Fig.6 Microstructure of base metal and ERW weld metal of X42 line pipe

圖7 管道沿3點(diǎn)、9點(diǎn)位置對(duì)剖后內(nèi)壁形貌 Fig.7 Internal morphology of pipe divided into half along 3 o’clock to 9 o’clock section

圖8 剖開(kāi)后的孔蝕形貌Fig.8 Pitting morphology after samples were cut open

把剖開(kāi)帶有孔蝕缺陷的試樣超聲清洗后，在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行缺陷分析，圖9為孔蝕缺陷的電鏡形貌和腐蝕產(chǎn)物的能譜分析，盡管孔蝕針孔尺寸不到0.5 mm，但針孔內(nèi)部橫向腐蝕深度達(dá)到4 mm。能譜分析表明，與基體成分相比，腐蝕產(chǎn)物中具有較高的O和Cl元素含量，其中Cl元素含量達(dá)到4.89%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

為了分析腐蝕產(chǎn)物成分，取少量腐蝕產(chǎn)物利用X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行相分析，結(jié)果見(jiàn)圖10。結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物中主要由Fe3O4、Fe(OH)3、Fe2O3和CaCO3組成。和CaCO3組成。

3 討論與分析

X42鋼管是管線(xiàn)鋼中屬于低級(jí)別管線(xiàn)鋼，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明具有良好的強(qiáng)度和韌性，在壓扁試驗(yàn)中具有優(yōu)異的抗變形能力，表明X42材料性能不是導(dǎo)致試壓泄漏的原因。從管道里程截面高程圖上可以看出，泄露管段位于管道的最低點(diǎn)位置，泄漏失效管段內(nèi)表面存在明顯的氧化腐蝕現(xiàn)象，在管道底部(泄漏點(diǎn)所在位置左右兩側(cè)4點(diǎn)到8點(diǎn)位置)存在一層較厚的灰黑色物質(zhì)，局部存在較深的腐蝕坑，而其余部位呈紅褐色和黑色。利用砂紙打磨掉腐蝕層后內(nèi)壁形貌見(jiàn)圖11，可以看出，泄漏管段內(nèi)壁表面存在顯著存蓄水導(dǎo)致的腐蝕界面，界面以上管道內(nèi)壁光滑，而受到水浸泡液面以下內(nèi)壁因腐蝕而凸凹不平，表明管道在試壓封存前掃水不干凈，低處管底位置存有少量存蓄水。

圖10 腐蝕產(chǎn)物的XRD相分析Fig.10 Phase analysis of corrosion products using XRD

腐蝕坑形貌和掃描電鏡能譜分析結(jié)果表明，管道泄漏是由于管道遭受小孔腐蝕所導(dǎo)致，在每個(gè)腐蝕坑內(nèi)灰黑色物質(zhì)主要成分除了管體化學(xué)成分外，還檢測(cè)出較高含量的O、Cl等元素，表明管道內(nèi)壁4點(diǎn)到8點(diǎn)位置存在Cl-誘發(fā)的小孔腐蝕[15]。由于管道試壓采用當(dāng)?shù)爻靥了宣}分較高，不可避免含有Cl-。Cl-具有半徑小、穿透能力強(qiáng)，并且能夠被金屬表面較強(qiáng)吸附的特點(diǎn)。Cl-濃度越高，水溶液的導(dǎo)電性就越強(qiáng)，Cl-就越容易到達(dá)金屬表面，加快局部腐蝕的進(jìn)程；酸性環(huán)境中Cl-的存在會(huì)在金屬表面形成氯化物鹽層，并替代具有保護(hù)性能的Fe的氧化膜，從而導(dǎo)致高的點(diǎn)蝕率。管內(nèi)壁受到Cl-腐蝕形成孔蝕后，由于孔內(nèi)金屬表面處于活躍狀態(tài)，且處于負(fù)電位，而孔外的金屬處于正電位，形成閉塞電池反應(yīng)[16]，孔內(nèi)金屬Fe發(fā)生下面陽(yáng)極反應(yīng)：Fe=Fe2++2e，孔外的陰極反應(yīng)為1/2O2+H2O+2e=2OH-。由于孔的面積相對(duì)很小，陽(yáng)極電流密度很大，蝕孔迅速加深。而孔外金屬表面由于受到陰極保護(hù)，可繼續(xù)保持鈍化狀態(tài)。隨著腐蝕的進(jìn)行，孔內(nèi)帶正電的金屬離子濃度增加，為保持溶液的電中性，帶負(fù)電的Cl-就不斷遷入，孔內(nèi)會(huì)生成FeCl2等氯化物，而氯化物又發(fā)生水解產(chǎn)生鹽酸，即：2Fe+2Cl-+2H2O=Fe(OH)2+2HCl，從而導(dǎo)致孔內(nèi)酸性增加。XRD腐蝕產(chǎn)物相分析與孔蝕產(chǎn)物相同，印證了管子發(fā)生孔蝕的存在。在腐蝕坑區(qū)域，Cl-會(huì)積聚成核，導(dǎo)致該區(qū)域陽(yáng)極溶解加速。金屬基體被向下深挖腐蝕，加速點(diǎn)蝕坑陽(yáng)極金屬的溶解，促進(jìn)Cl-透過(guò)腐蝕產(chǎn)物膜擴(kuò)散到點(diǎn)蝕坑內(nèi)，使點(diǎn)蝕坑內(nèi)的Cl-濃度進(jìn)一步增加，這一過(guò)程是屬于Cl-的催化機(jī)制，當(dāng)Cl-濃度超過(guò)一定的臨界值之后，陽(yáng)極金屬將一直處在活化狀態(tài)而不會(huì)鈍化[17]，點(diǎn)蝕坑會(huì)不斷擴(kuò)大、加深，從而導(dǎo)致管體穿孔。

圖11 泄露管道高程圖和內(nèi)部腐蝕形貌Fig.11 Contour maps and internal surface morphology of leakage pipe section

4 結(jié)論及建議

1)X42管道具有良好的力學(xué)性能和塑性變形能力，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)X42管道試壓泄露是由于管道內(nèi)壁發(fā)生Cl-誘發(fā)空蝕所導(dǎo)致。由于管道鋪設(shè)完成后管內(nèi)試壓水清掃不干凈，在地處管道內(nèi)殘留試壓水，試壓水中含有較高濃度的Cl-。封存后，積水管道內(nèi)壁4點(diǎn)至8點(diǎn)鐘位置在Cl-作用下發(fā)生嚴(yán)重孔蝕，最后導(dǎo)致管道在投產(chǎn)運(yùn)行前試壓時(shí)高壓水從腐蝕孔發(fā)生泄露。

3)建議鋪設(shè)完成的長(zhǎng)輸管道，如果不能及時(shí)投產(chǎn)運(yùn)行，應(yīng)把管道內(nèi)試壓水清掃干凈，特別是低洼處管道，應(yīng)進(jìn)行充分干燥處理，然后再進(jìn)行封存。其次，嚴(yán)格控制試壓水的鹽類(lèi)物質(zhì)含量，最好采用凈化處理的純凈水。

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Failure Analysis of Leakage of X42 Line Pipe

CHI Qiang，ZHANG Ji-ming，LI Li-feng，WANG Ke，LUO Jin-heng

(TubularGoodsResearchInstituteofCNPC,Xi’an710065,China)

The leakage cause of X42 line pipe was investigated by mechanical properties testing, nondestructive testing and SEM observation on corrosion pits and X-ray diffraction (XRD) analysis. Experimental results show that X42 line pipe has outstanding combination of strength and toughness, and the properties meet the requirement. Obvious corrosion features can be found at the 4 o’clock to 8 o’clock region of the inner surface, and several corrosion pits can be found at the 6 o’clock. Energy spectrum analysis and phase analysis of XRD show there were a high content of chloride ions at the corrosion pits, and the pits displayed the typical small-hole corrosion characteristics. Therefore, it can be assumed that the pipe leakage is due to a large amount of residual water containing high-concentration chloride ions. The chloride ions resulted in pitting corrosion and final leakage under test pressure. It is suggested that those line pipes that have been laid but not put into service should be fully drained to avoid the occurrence of similar accidents.

pipe line; leakage; pitting; mechanical property; microstructure

2016年11月26日

2017年1月5日

張繼明(1977年-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事油氣輸送管道組織機(jī)理及失效理論等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.011

1673-6214(2017)01-0054-08