天然氣管道沿螺旋焊縫的失效分析

謝晨光

摘要：本篇文章結(jié)合對(duì)運(yùn)輸濕酸性天然氣管道失效區(qū)域的外觀檢測(cè)、始終狀況、理化試驗(yàn)、微觀觀察、力學(xué)性能測(cè)試、斷面剖析及腐蝕部位的產(chǎn)物檢測(cè)、無(wú)損檢驗(yàn)等的結(jié)果對(duì)管道沿螺旋焊縫失效的問(wèn)題進(jìn)行了探究與分析，最終得出因?yàn)楦g程度較高致使的局部應(yīng)力改變和管材材料性能的改變共同使得失效及破裂問(wèn)題的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；螺旋焊縫、失效檢驗(yàn)；腐蝕

一、項(xiàng)目調(diào)查檢驗(yàn)情況及分析

作為研究對(duì)象的天然氣輸送管道被設(shè)計(jì)為承受壓力7.34兆帕，工作溫度上限是一百攝氏度，輸送氣體中硫化氫的最大含量不超過(guò)百分之二，正常運(yùn)輸壓力為5.79兆帕，溫度介于三十至四十度之間[1]。該運(yùn)輸管道使用了API 5L Gr.X52螺旋縫埋孤焊鋼管，其管徑為四百五十七點(diǎn)二毫米，鋼管的管壁厚度是十點(diǎn)三一毫米，鋼管外表層使用了工廠預(yù)制的防腐層而內(nèi)部沒(méi)有涂層，其在焊接作業(yè)時(shí)接頭處的防腐處理使用了熱收縮套[2]。為探析管道失效的具體原因，將設(shè)定一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)管道進(jìn)行綜合性的檢驗(yàn)和分析，以期能為該管道日后繼續(xù)工作提供一些補(bǔ)救的辦法[3]。

（一）外觀及使用情況調(diào)查

1.外觀情況

根據(jù)管道樣品的收貨情況可以看出，管道樣品部位包括一個(gè)環(huán)向的焊縫和發(fā)生失效的區(qū)域。管材外表面被腐蝕的情況很低，可以根據(jù)圖一看出，管材的外側(cè)幾乎不存在金屬腐蝕的情況，從圖二可以觀察出，樣本內(nèi)部被嚴(yán)重腐蝕了，腐蝕區(qū)域占到了管道內(nèi)部約四分之一的區(qū)域，根據(jù)管材的具體參數(shù)可以計(jì)算出壁厚被腐蝕的位置達(dá)到了百分之三十。從圖一中也可以看到樣本中包含一個(gè)全壁厚裂紋形式的失效，可以預(yù)判螺旋焊縫的熱影響區(qū)以及金屬區(qū)域延伸達(dá)五百毫米，這也意味著裂紋的位置處于管道內(nèi)部。

2.使用情況

管道外部使用了防腐處理并且連通陰極進(jìn)行保護(hù)操作，在該管道被挖出的部位記錄現(xiàn)實(shí)外部防腐層性質(zhì)保持較好，沒(méi)有外部腐蝕情況出現(xiàn)。結(jié)合管道內(nèi)的水含有亞鐵離子就及考慮硫化氫的濃度，內(nèi)部pH值使得管道內(nèi)部環(huán)境處于高烈度區(qū)域。

（二）檢驗(yàn)情況

1.管材及焊縫檢驗(yàn)分析

通過(guò)光譜分析的結(jié)果可以知道運(yùn)輸管道的管材及焊縫金屬的提取樣本都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及酸堿服役環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)。

2.金相檢驗(yàn)結(jié)果

從微觀組織觀察可以看出，運(yùn)輸管道的圍觀組成是細(xì)晶粒鐵素體，且其夾雜物滿足各向同性，這恰與鋼中含有較低的硫及鈣元素相符合。此外在泄漏位置的圍觀觀察還可以看出開(kāi)裂由母材引起，而后延伸到外焊縫的熱影響區(qū)域，最終導(dǎo)致開(kāi)裂位置。

3.拉伸及沖擊檢驗(yàn)

此試驗(yàn)運(yùn)用圓棒拉伸試樣，過(guò)程包括母材及失效部位螺旋焊縫的拉伸式樣。拉伸試樣的結(jié)果顯示天然氣運(yùn)輸鋼管符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強(qiáng)度及抗拉程度規(guī)定。對(duì)于焊縫位置則進(jìn)行了V型口缺口沖擊試驗(yàn)，結(jié)果顯示管材符合有關(guān)的材料標(biāo)準(zhǔn)。

4.硬度檢驗(yàn)

在焊縫的不同的位置進(jìn)行了維氏硬度測(cè)試，具體的測(cè)試區(qū)域包含了焊縫的金屬材料、熱影響區(qū)域以及管材。硬度測(cè)試的結(jié)果顯示這些區(qū)域的硬度值均低于HV10250，尤其是在螺旋焊縫的熱影響位置，其硬度僅有HV10到HV10168左右，這表明螺旋焊縫及環(huán)向的焊縫均會(huì)因?yàn)榱蚧镌黾娱_(kāi)裂的可能性。

5.斷面檢驗(yàn)

將樣本進(jìn)行清晰后對(duì)斷裂尖端觀察，從其斷面可以看出部分比較有光澤的部位已經(jīng)失去了大大部分的腐蝕生產(chǎn)物，故對(duì)這一部位進(jìn)行顯微斷面觀察。根據(jù)斷面的電子形貌圖像可以看出腐蝕生成物的位置較暗，而有光澤部位的金屬位置比較亮，從大面積暗區(qū)域可以判斷此樣本已被嚴(yán)重腐蝕。

6.腐蝕生成物提取與分析

提取腐蝕生成物的樣本后使用能散X射線法對(duì)其分析，對(duì)其化合物成分做出判定。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以知道腐蝕生成物的主要元素包含鐵、硫、氧、碳，這就表明了腐蝕生成物為一定含量的硫化鐵、四氧化三鐵和碳酸鐵等化合物。

（三）無(wú)損檢驗(yàn)及其結(jié)果分析

對(duì)被腐蝕的樣本采用磁粉探傷及射線照相探傷，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出母材的外側(cè)環(huán)向焊縫僅有微小的腐蝕情況，在螺旋焊縫內(nèi)側(cè)焊趾區(qū)域即失效區(qū)域緊鄰的焊縫已存在微小的腐蝕情況。

（四）殘余應(yīng)力檢測(cè)

從外表面面的測(cè)試得到了殘余應(yīng)力于水平方向是拉伸應(yīng)力，豎直方向是壓縮應(yīng)力，水平方向上最大值是八十兆帕，垂直方向上最大壓縮應(yīng)力是負(fù)的二百四十兆帕。內(nèi)側(cè)表面的位置水平及豎直方向上分別是三百八十兆帕和一百七十兆帕，這也說(shuō)明了開(kāi)裂從鋼管的內(nèi)側(cè)向外側(cè)延伸的情況。

二、失效原因探討及分析

根據(jù)管道綜合檢驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果對(duì)管道失效的原因進(jìn)行探究：

（一）材料方面

管道與焊縫無(wú)論是在化學(xué)分析、強(qiáng)度測(cè)試、沖擊韌性以及硬度測(cè)試中都符合酸性服役條件訂貨鋼管的制定標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有檢測(cè)到因?yàn)楣懿囊约昂缚p材料方面致使開(kāi)裂失效的情況。

（二）管道外部開(kāi)裂方面

可以很明顯地得出天然氣輸送管道是因?yàn)閮?nèi)部的濕酸環(huán)境和含有二氧化碳以及硫化氫的天然氣造成的內(nèi)部腐蝕導(dǎo)致的失效問(wèn)題，這也意味著天然氣脫水環(huán)節(jié)的失效或者低效，同時(shí)用于降低內(nèi)部腐蝕情況使用的緩蝕劑也沒(méi)有起到作用[4]。

（三）失效位置

從樣品中可以看到發(fā)生泄露的區(qū)域是鋼管的下側(cè)底部，具體位于螺旋焊縫及周圍以開(kāi)裂的形式出現(xiàn)泄露，失效的情況往往位于嚴(yán)重內(nèi)腐蝕的部位。同時(shí)根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)分析，內(nèi)部腐蝕會(huì)沿著管道長(zhǎng)度的方向上生長(zhǎng)，除了管道的底部區(qū)域，位于別的區(qū)域的開(kāi)裂也是存在可能的。

（四）綜合原因分析

開(kāi)裂的誘因來(lái)自酸性氣體的環(huán)境以及螺旋焊縫周邊應(yīng)力的改變及其材料性質(zhì)的降低等，這些因素共同導(dǎo)致了開(kāi)裂的出現(xiàn)。當(dāng)管道內(nèi)部被腐蝕后，這一區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力會(huì)變大，此時(shí)應(yīng)力總體趨勢(shì)是從發(fā)生腐蝕的位置向外遞增。

三、結(jié)束語(yǔ)

依照天然氣管道沿螺旋焊縫的相關(guān)調(diào)查檢驗(yàn)和失效原因分析我們可以知道：引起管道開(kāi)裂最主要的誘因是管道的腐蝕，位于嚴(yán)重腐蝕位置的裂縫說(shuō)明了這一情況；而且根據(jù)調(diào)查檢驗(yàn)可以看出，不存在因?yàn)樵膯?wèn)題致使管道失效問(wèn)題的出現(xiàn)；同時(shí)管道失效的原因可能是由于綜合因素所導(dǎo)致的，比如：內(nèi)部腐蝕、局部應(yīng)力變化和嚴(yán)格的Ph值要求；在管道下側(cè)位置嚴(yán)重的內(nèi)部腐蝕是管道失效的最主要原因。

參考文獻(xiàn)

[1]齊麗華，劉小峰，劉迎來(lái)，etal.X80螺旋埋弧焊管對(duì)接環(huán)焊接頭失效裂紋分析[J].焊管，2012（6）：16-21.

[2]楊丁門，何興利，趙煒，etal.西氣東輸二線用X80級(jí)螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲性能分析[J].焊管，2009，32（9）：18-21.

[3]谷海龍，陳楠，王海生，etal.X80M鋼Φ1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲不合格原因分析[J].焊管，2017，40（11）.

[4]楊東平，胥聰敏，羅金恒，etal.0.8設(shè)計(jì)系數(shù)用X80管線鋼在近中性pH溶液中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為[J].材料工程，2015（1）：89-95.

（作者單位：遼河油田建設(shè)有限公司工程安裝四分公司）