冶金復(fù)合三通失效分析

單　華　姜　放　方　偉　王勝雷　劉君臣

1. 中國石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部,　新疆　庫爾勒　841000; 2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司,　四川　成都　610041

0　前　言

2015年6月11日,中國石油塔里木油田公司迪那油氣處理廠主控室值班人員發(fā)現(xiàn)DN 2-24井閥室可燃?xì)怏w檢測儀報警。采氣隊人員到達(dá)現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)DN 2-24井支線進(jìn)集氣干線處刺漏[1]。主控室隨即對DN 2-24井以西共計11口井執(zhí)行遠(yuǎn)程關(guān)井,并對DN 2-9 T以西至迪那2-2集氣站集氣干線進(jìn)行泄壓。當(dāng)日對DN 2-24井支線進(jìn)干線處進(jìn)行挖掘,檢查埋地管線刺漏點,發(fā)現(xiàn)DN 2-24井支線進(jìn)干線冶金復(fù)合三通變徑處滲漏,現(xiàn)場組織對漏點焊接補丁,恢復(fù)生產(chǎn)。2015年7月檢修時對該冶金復(fù)合三通進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在腐蝕,隨即進(jìn)行了更換。對該三通進(jìn)行了失效分析,根據(jù)分析結(jié)論對在用的同批次三通進(jìn)行排查,發(fā)現(xiàn)DN 2-23井三通存在類似情況。

1　腐蝕情況

1.1　刺漏及緊急處理情況

三通發(fā)生刺漏后,停止生產(chǎn),并對該處進(jìn)行挖掘,發(fā)現(xiàn)表面有滲漏點,見圖1。現(xiàn)場對焊點焊接補丁,見圖2。

圖1　滲漏情況

圖2　打補丁

1.2　內(nèi)部腐蝕情況和三通結(jié)構(gòu)

檢修時通過排查,先后對發(fā)現(xiàn)有內(nèi)部腐蝕的DN 2-24、DN 2-23井三通進(jìn)行了更換,其內(nèi)部腐蝕情況見圖3～4。從內(nèi)部形貌可以看出,二者形態(tài)相似。

圖3　DN 2-23干線三通缺陷內(nèi)部形貌

圖4　DN 2-24干線三通缺陷內(nèi)部形貌

DN 2-24割開的三通見圖5,結(jié)構(gòu)見圖6。三通主管尺寸Ф 457,支管Ф 219,基層材料L 415,內(nèi)襯3 161復(fù)合層3 mm。

圖5　DN 2-24割開后三通缺陷內(nèi)部形貌

圖6　三通結(jié)構(gòu)圖

2　原因分析

為便于分析,將復(fù)合三通標(biāo)記為主管、支管等部分[2],見圖7。

圖7　三通外結(jié)構(gòu)

2.1　壁厚測量情況

按圖7所示,將樣品的橫截面進(jìn)行16等分,其具體標(biāo)注方法是按照圓周的順時針方向依次編號為0、1、2……15,見圖8～9。

圖8　三通支管段部分橫截面圖

圖9　三通主管段擠出部分橫截面圖

圖10　三通取樣部分橫截面標(biāo)記示意圖

按圖10的標(biāo)記方法分別對圖7中三通支管部分橫截面和主管段擠出部分橫截面的316 L不銹鋼內(nèi)襯層及碳鋼基管外層厚度進(jìn)行測量,具體測量結(jié)果見表1。

表1三通支管部分和主管段擠出部分橫截面內(nèi)襯層及外層厚度測量結(jié)果

單位:mm

根據(jù)該復(fù)合三通相關(guān)參數(shù),該復(fù)合三通規(guī)格中內(nèi)襯層為3 mm,實際測量內(nèi)襯層大部分區(qū)域超過5 mm,但局部區(qū)域(失效區(qū)域)內(nèi)襯層僅為1.5 mm。制造過程中,為了順利焊接,其焊接線能量參數(shù)必然設(shè)定為5 mm厚不銹鋼對接的相應(yīng)參數(shù),這樣使得在1.5 mm壁厚處也應(yīng)用了焊接5 mm壁厚用的焊接參數(shù),導(dǎo)致該區(qū)域被焊穿,在焊縫的焊趾處形成點狀或線狀的缺陷。

2.2　化學(xué)成分分析

在三通主管的基管層和襯層(編為1#主管和1#主管襯層)、三通支管的基管層和襯層(編為2#支管和2#支管襯層)、環(huán)焊縫區(qū)域基管焊接區(qū)和襯層(編為3#基管焊縫和3#襯層焊縫)分別取化學(xué)成分分析試樣,應(yīng)用直讀光譜儀分別對3件樣品的基管和襯管進(jìn)行化學(xué)成分分析[3],結(jié)果見表2。

從化學(xué)成分分析的結(jié)果來看,焊縫與支管的Cr、Mo元素的組成有較大差別,這種差別勢必導(dǎo)致力學(xué)性能和抗腐蝕效果的差異[4-6]。

表2復(fù)合三通化學(xué)成分分析結(jié)果

(w)

2.3　金相組織分析

在復(fù)合三通主管、三通支管及三通開裂環(huán)焊縫附近取樣,分別對主管基材、襯層、支管基材、支管襯層及焊縫進(jìn)行金相組織分析[7],結(jié)果見表3～4。

表3復(fù)合三通金相組織分析結(jié)果

試樣基管組織襯管組織1#PF+P,心部有MA條帶奧氏體2#F+P奧氏體+α固溶相

表4復(fù)合三通焊縫金相組織分析結(jié)果

試樣焊縫蓋面層組織焊縫熱影響層組織焊縫硬化層組織焊縫擴散層組織焊縫襯層組織遠(yuǎn)離開裂區(qū)焊縫IAF+PF+WF+ B粒+PPF+B粒+PM回M回A+α固溶相開裂焊縫附近IAF+PF+WF+ B粒+PPF+B粒+PM回M回A+α固溶相

開裂焊縫附近的焊縫組織與遠(yuǎn)離開裂區(qū)焊縫的焊縫組織一致,但內(nèi)焊縫一側(cè)焊趾附近有裂紋。

2.4　力學(xué)性能試驗

在三通主管的基管層(編為1#主管)、三通支管的基管層(編為2#支管)、環(huán)焊縫區(qū)域基管焊接區(qū)(編為3#焊縫處支管)分別取焊縫硬度試樣,對其進(jìn)行力學(xué)性能試驗,結(jié)果見表5。

從表4和表5可以看出,復(fù)合三通基管環(huán)焊縫的局部硬度值超過60 HRA,且出現(xiàn)了M組織。通常,引起焊縫硬度高的主要原因是焊接線能量大,焊后冷卻速度快,在焊縫組織中出現(xiàn)M組織。由此可以推斷,該復(fù)合三通環(huán)焊縫焊接時,采用了較高的線能量。

表5復(fù)合三通主管、支管及焊縫處支管硬度試驗結(jié)果

編號硬度試驗結(jié)果試驗標(biāo)準(zhǔn)1#主管50.1、50.3、50.52#支管46.0、46.6、47.03#焊縫處支管61.8、65.0、60.8GB/T 230.1-2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分:試驗方法》

2.5　電子顯微分析

在復(fù)合三通失效環(huán)焊縫區(qū)域取樣,采用掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析儀對樣品進(jìn)行腐蝕成分分析及腐蝕形貌觀察。低倍下剖開缺陷呈圓形,未見明顯開裂,但內(nèi)襯層焊縫有明顯焊瘤。在高倍下可見缺陷內(nèi)靠基管側(cè)形貌有明顯氣體沖蝕痕跡,說明該復(fù)合管三通橢圓形孔洞主要是由于沖蝕所致。由此可以推斷該復(fù)合三通失效根本原因是復(fù)合三通制造過程中,在環(huán)焊縫內(nèi)襯層焊趾處存在點狀或者線狀未融合或焊穿,導(dǎo)致其在服役過程中,管道內(nèi)氣體從該處進(jìn)入管道碳鋼壁,發(fā)生沖蝕并開裂所致[8-21]。

2.6　生產(chǎn)工藝分析

DN 2-24井的氣產(chǎn)量89×104m3/d,計算的支管流速2.3 m/s,流速不高,但由于三通處有來自生產(chǎn)匯管和支線二股液體匯合,存在渦流,在匯合處沖蝕較為嚴(yán)重,見圖11,且在該處由于渦流存在剪切力,導(dǎo)致緩蝕劑不能附著,管道未得到良好的保護。

圖11　三通處流體情況

3　三通排查情況

DN 2-24井三通發(fā)生刺漏后,檢修時對未埋地的類似三通進(jìn)行了排查。結(jié)果見表6。從表6可以看出,除DN 2-24井、DN 2-23井外其他三通未見有明顯腐蝕。

表6復(fù)合三通排查結(jié)果

序號檢測位置管道(管件)規(guī)格/mm材質(zhì)檢測出最小壁厚/mm1DN 2-8閥室支線到干線三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通為16.7,變徑為16.32DN 2-17閥室支線到干線三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)Ф 219×19L 415+316 L三通為17.2,變徑為17.83DN 2-23閥室支線到干線三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通變徑部位附近壁厚異常,測出最小值為11.74DN 2-24閥室支線到干線三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通刺漏附近為4.05DN 2-2閥室支線到干線三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通附近為16.86DN 2-25閥室支線到干線三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通附近為16.97迪那2-1集氣站進(jìn)出站三通Ф 508×(19+3)L 415+316 L進(jìn)站三通為19.7,前后直管段為19.7,出站三通T 2為21.3、T 3為21.0,直管段為19.7

4　結(jié)論

1)復(fù)合三通環(huán)焊縫周向內(nèi)襯層嚴(yán)重不均,焊接線能量高,使焊接時在內(nèi)襯層焊趾處產(chǎn)生點狀或線狀穿孔是導(dǎo)致復(fù)合三通失效的主要原因。

2)復(fù)合層穿孔后,管道內(nèi)氣體從該處進(jìn)入基管壁內(nèi),沖蝕導(dǎo)致基管腐蝕,從而發(fā)生刺漏。

3)應(yīng)嚴(yán)格控制產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量,杜絕三通在拔制過程中出現(xiàn)襯層厚薄不均的情況,焊接時要選擇好參數(shù),避免襯管焊穿。