20鋼45°熱煨彎管失效分析*

朱麗娟，韓禮紅，徐 欣，馮 春，王新虎，馮耀榮

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

石油管道及管柱系統(tǒng)失效形式多樣，其中介質(zhì)流動造成的沖刷腐蝕破壞是管道常見的失效形式之一［1－6］，在腐蝕性多相流作用下，彎管的沖蝕失效尤為突出。國內(nèi)外對管道沖蝕腐蝕問題進(jìn)行了大量研究，也取得了一些有意義的成果［7－9］。某單位采購的熱煨彎管在現(xiàn)場使用48天后，發(fā)生了爆裂。現(xiàn)取爆裂熱煨彎管樣管2件，對彎管爆裂的原因進(jìn)行分析。

1 宏觀分析

1.1 彎管服役情況

失效彎管是由某管件公司生產(chǎn)的20鋼45°熱煨彎管，規(guī)格為Φ50 mm×8 mm。2件失效樣品取自同一件熱煨彎管，為方便觀察，將其截成2段。投產(chǎn)前，某管件公司對45°熱煨彎管進(jìn)行自檢，接入服役的管道后，對45°熱煨彎管進(jìn)行無損檢測，直至投產(chǎn)，均未發(fā)現(xiàn)問題。48天后，在開發(fā)投產(chǎn)過程中，彎管處有大量氣體沖出，現(xiàn)場核實(shí)發(fā)現(xiàn)45°焊接彎管發(fā)生了爆裂，失效彎管形貌如圖1所示。該20鋼45°熱煨彎管母材管體是無縫鋼管，母材壁厚的裕量為2 mm；彎管設(shè)計壓力為25 MPa；設(shè)計溫度為－20～100℃。使用該彎管的氣田為高含硫氣田，氣體中平均硫化氫含量為4 000 mg/m3，彎管內(nèi)輸送介質(zhì)的具體成分見表1。

圖1 失效彎管形貌

表1 彎管內(nèi)輸送介質(zhì)的具體成分

1.2 宏觀形貌及無損檢測

失效彎管宏觀形貌如圖2所示。彎管發(fā)生爆裂的位置在彎管外弧面，與氣體入口呈約20°的位置，爆裂口長度約為3 cm，最大寬度約為3 mm，裂口邊緣金屬層外翻。爆裂口區(qū)域明顯減薄，離爆裂口越近，減薄越明顯。在爆裂口內(nèi)壁區(qū)域下方，有大量沉積物，與彎管基體結(jié)合較牢固，初步判斷其為輸送氣體中的固體顆粒及腐蝕產(chǎn)物的沉積物。對彎管試樣進(jìn)行磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。

圖2 失效彎管宏觀形貌

2 微觀分析

在彎管爆裂口附近取樣，彎管內(nèi)壁爆裂口附近形貌及能譜分析位置如圖3所示，能譜半定量分析結(jié)果見表2。彎管內(nèi)壁主要存在區(qū)域2和區(qū)域3（圖3）兩種表面形貌，區(qū)域2的化學(xué)成分為O、Fe、C以及1.31%的S；形貌如同區(qū)域2的彎管內(nèi)壁區(qū)域分布著球形顆粒，此類球形顆粒的化學(xué)成分為O和Fe，含極少量的C。區(qū)域3中的顆粒尺寸較大，且形狀不規(guī)則，所含元素為O、Si、C、Fe、Al、Ca、K、Mg、Na，初步判定其主要為輸送氣體中的固相顆粒沉積物。

圖3 彎管內(nèi)壁爆裂口附近形貌及能譜分析位置

表2 彎管內(nèi)壁爆裂口附近能譜半定量分析結(jié)果%

彎管內(nèi)壁沉積物的形貌及能譜分析位置如圖4所示，能譜半定量分析結(jié)果見表3。結(jié)果表明，沉積物主要化學(xué)成分為O、Si、C、Fe、Al、K、Ca、Mg、Zn；沉積物中的顆粒形狀不規(guī)則，最大顆粒尺寸超過100 μm，且數(shù)量較多；沉積物中還分布著少量的球形顆粒。

圖4 彎管內(nèi)壁沉積物的形貌及能譜分析位置

3 材質(zhì)理化性能分析

3.1 化學(xué)成分分析

在20鋼45°熱煨彎管爆裂口附近取樣，用直讀光譜儀檢測其化學(xué)成分。20鋼45°熱煨彎管化學(xué)成分見表4，其化學(xué)成分符合SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼質(zhì)感應(yīng)加熱彎管》和GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》要求。

表3 彎管內(nèi)壁沉積物能譜半定量分析結(jié)果 %

表4 20鋼45°熱煨彎管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3.2 力學(xué)性能檢測

沿20鋼45°熱煨彎管縱向取標(biāo)距段直徑6.25 mm、長度25 mm的圓棒拉伸試樣，在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為UTM5305電子萬能試驗(yàn)機(jī)。20鋼45°熱煨彎管力學(xué)性能檢測結(jié)果見表5，彎管的力學(xué)性能符合GB/T 8163—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 20鋼45°熱煨彎管力學(xué)性能檢測結(jié)果

取全截面試樣測試彎管截面硬度，試樣設(shè)備為KB30BVZ－FA維氏硬度計，彎管的平均硬度值為138 HV10。SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)中對A級彎管的硬度無要求，要求B級彎管硬度值不超過300 HV10，用于酸性環(huán)境的C級彎管的硬度值不超過250 HV10。因此，20鋼 45°熱煨彎管滿足SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 金相分析

在彎管爆裂口附近取樣，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)分析金相組織，其組織為鐵素體+珠光體，A、B、D類非金屬夾雜物都為0.5級，晶粒度9.0級，未發(fā)現(xiàn)裂紋；最薄處的壁厚為0.57 mm，未見組織變形。彎管試樣的金相組織如圖5所示，壁厚最薄處形貌如圖6所示。

4 綜合分析

分析結(jié)果表明，該20鋼45°爆裂失效熱煨彎管的化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能均符合SY/T 5257—2012和GB/T 8163—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 彎管試樣的金相組織

圖6 彎管試樣壁厚最薄處形貌

失效彎管爆裂發(fā)生在彎管外弧面，與氣體入口呈約20°的位置，爆裂口長度約為3 cm，最大寬度約為3 mm，裂口邊緣金屬層外翻。爆裂口區(qū)域明顯減薄，離爆裂口越近，減薄越明顯。金相分析表明，失效彎管壁厚最薄處的壁厚僅為0.57 mm，但未見組織變形。在爆裂口內(nèi)壁區(qū)域下方，有大量輸送氣體中的固體顆粒及腐蝕產(chǎn)物形成的沉積物，固體顆粒富含O、Si、C、Fe、Al、K、Ca等元素，這些元素是地層的主要組成元素。沉積物中的顆粒形狀不規(guī)則，最大顆粒尺寸超過100 μm。爆裂區(qū)的腐蝕產(chǎn)物主要成分為O、Fe、C以及少量的S。在腐蝕產(chǎn)物及沉積物中分布著球形的Fe氧化物。

一般情況下，輸氣管道的輸送壓力和輸送速率都高于輸油管道，對氣體中所含顆粒具有很強(qiáng)的牽引力。失效彎管輸送的氣體中所含最大顆粒尺寸超過100 μm，且沉積在離爆裂口比較近的區(qū)域。因此，輸送氣體中的顆粒屬于尺寸大且較重的顆粒。彎管處氣體的流動方向發(fā)生了很大的改變。但輸送氣體中這些大而重的顆粒動量大，流體作用在顆粒上面的牽引力很難改變其運(yùn)動方向；因此，這些大顆粒流動時，往往會直直地碰向彎管的內(nèi)壁，然后反彈，尺寸較大且重的顆粒在附近沉積。一定范圍內(nèi)，沖蝕作用隨固體顆粒直徑的增加而增大。失效彎管發(fā)生爆裂的位置發(fā)生在彎管外弧面，與氣體入口呈約20°的位置。這與典型塑性材料最大沖蝕率出現(xiàn)在攻角20°～30°處的規(guī)律是一致的。

電鏡分析結(jié)果表明，氣體中的顆粒經(jīng)過與彎管內(nèi)壁碰撞后，仍保持不規(guī)則的形狀。而很多Fe的氧化物顆粒經(jīng)沖刷和碰撞后，已磨損成球形，說明氣體中所含顆粒的硬度較高。一定范圍內(nèi)，沖蝕作用隨固體顆粒硬度的增加而增大。此失效彎管內(nèi)的固體顆粒通過增大對金屬的沖蝕作用而使系統(tǒng)的沖刷腐蝕作用增強(qiáng)。

失效彎管用于高酸性氣田的輸氣管道，輸送的介質(zhì)為高含硫化氫的天然氣，且含少量的CO2，腐蝕性較強(qiáng)。彎管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分主要為O、Fe、C，以及1.31%的S，說明彎管內(nèi)壁發(fā)生了一定程度的CO2和H2S腐蝕。當(dāng)沖蝕與腐蝕同時存在時，沖刷腐蝕速率大于沖蝕加腐蝕的速率，主要是沖蝕和腐蝕聯(lián)合產(chǎn)生了相互促進(jìn)的作用。高流速下，砂的存在極大地增加了沖蝕效果，同時又持續(xù)地清除腐蝕產(chǎn)物，保證了金屬始終與腐蝕介質(zhì)接觸，促進(jìn)了腐蝕反應(yīng)，使得沖刷腐蝕持續(xù)發(fā)生。在失效彎管上并未發(fā)現(xiàn)裂紋、腐蝕坑或黑色的腐蝕產(chǎn)物。因此，失效彎管沖刷腐蝕是以沖蝕為主，沖蝕與腐蝕的交互作用加速了管壁的減薄。

根據(jù)API TR 5C3—2008《套管、油管、鉆桿和管線管性能的計算公式》中鋼管內(nèi)屈服壓力P的計算公式（P=0.875×2Yt/D。其中，Y為規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，取245 MPa；t為名義壁厚，取8 mm；D為名義外徑，取50 mm），可知該20鋼彎管的最小壁厚為2.9 mm時，才能承載25 MPa的內(nèi)壓。但是，該彎管最薄處壁厚僅為0.57 mm，已喪失了設(shè)計強(qiáng)度。在鋼管內(nèi)壓力作用下，彎管局部位置應(yīng)力集中，造成局部破裂，從而引發(fā)爆裂。

5 結(jié) 語

（1）20鋼45°失效熱煨彎管的化學(xué)成分、拉伸性能、硬度均符合SY/T 5257—2012和GB/T 8163—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）沖刷腐蝕致管壁減薄是20鋼45°熱煨彎管爆裂的原因。當(dāng)彎管管壁局部位置減薄到一定程度，在鋼管內(nèi)壓力作用下，造成彎管局部破裂。

（3）輸送介質(zhì)中含H2S、CO2等腐蝕性介質(zhì)，加強(qiáng)了沖蝕的作用。