在役雙金屬復(fù)合管道失效機(jī)制及控制措施分析*

李發(fā)根，楊家茂，馮 泉，李為衛(wèi)，付安慶

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065；2.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，西安710065；3.西安長慶科技工程有限公司，西安 710018； 4.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000）

1 概 述

雙金屬復(fù)合管利用耐蝕合金管材襯里進(jìn)行管材防腐改性，借助基管力學(xué)性能保證強(qiáng)度，國內(nèi)外研究和應(yīng)用實(shí)踐表明，使用雙金屬復(fù)合管是解決高腐蝕性氣田地面集輸管線腐蝕問題的一種相對(duì)安全和經(jīng)濟(jì)的辦法[1-4]。雙金屬復(fù)合管防腐技術(shù)從應(yīng)用以來，目前制造和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)贏得了油田廣泛認(rèn)可，應(yīng)用范圍遍及美洲、歐洲和亞洲，服役環(huán)境既涵蓋CO2甜氣腐蝕環(huán)境也包括H2S/CO2酸性腐蝕環(huán)境。國內(nèi)雙金屬復(fù)合管油氣集輸應(yīng)用起步于塔里木油田，目前已在呼圖壁等儲(chǔ)氣庫管線、中石化酸性集輸管線和中海油海底管道得到大量應(yīng)用，應(yīng)用近2 500 km[5-10]。雙金屬復(fù)合管的使用極大降低了管道腐蝕泄漏概率，起到較好的防腐作用。不過由于前期工程經(jīng)驗(yàn)不足，近年來陸續(xù)出現(xiàn)了不同程度的失效問題，影響了油田正常安全生產(chǎn)秩序[11-14]。

雙金屬復(fù)合管材料差異大，內(nèi)襯316L 奧氏體不銹鋼為順磁材料，基管碳鋼為鐵磁性材料； 機(jī)械復(fù)合管結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)襯和基管之間為機(jī)械結(jié)合，而且存在層間間隙； 雙金屬復(fù)合管失效形式多樣，有基管焊縫開裂，還有襯層焊縫腐蝕，而且還常伴有襯層塌陷； 另外雙金屬復(fù)合管失效機(jī)制特殊，襯層環(huán)焊縫腐蝕又主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕形貌尺寸較小，一旦穿過襯層接觸基管便會(huì)形成局部電偶腐蝕迅速穿透基管。以上一系列特點(diǎn)決定了雙金屬復(fù)合管不僅風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估復(fù)雜，更主要是在役缺陷檢測(cè)和損傷修復(fù)技術(shù)難度較大，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)及規(guī)范具有明顯挑戰(zhàn)性。圍繞以上問題，本研究將主要針對(duì)在役316L 內(nèi)襯復(fù)合管失效風(fēng)險(xiǎn)開展分析，梳理風(fēng)險(xiǎn)控制面臨的挑戰(zhàn)問題，分析可行的失效控制措施，以便為在役雙金屬復(fù)合管安全應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 失效機(jī)制分析

2.1 失效問題梳理

目前雙金屬復(fù)合管主要使用在油氣產(chǎn)量大、腐蝕性強(qiáng)、回報(bào)率高的集輸管線，近年來應(yīng)用過程中陸續(xù)出現(xiàn)的焊接失效和襯層塌陷失效，嚴(yán)重困擾著油田用戶，亟需切實(shí)有效的解決措施。圖1為某油田用316L 內(nèi)襯機(jī)械復(fù)合管失效統(tǒng)計(jì)。由圖1可見，機(jī)械復(fù)合管失效事故發(fā)生頻率越來越高，呈現(xiàn)逐步增長的趨勢(shì)，近三年失效事故數(shù)就占到總事故量的71.93%。具體到機(jī)械復(fù)合管的失效類型又以環(huán)焊縫開裂、環(huán)焊縫腐蝕為主，典型形貌如圖2 所示。另外，失效樣品又常伴隨有襯層塌陷現(xiàn)象，如圖3 所示，嚴(yán)重的襯層塌陷不僅會(huì)影響油氣正常輸送，還將不利于后期管道維護(hù)。因此襯層塌陷也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

圖1 316L 內(nèi)襯機(jī)械復(fù)合管失效案例統(tǒng)計(jì)

圖2 機(jī)械復(fù)合環(huán)焊縫主要失效形式

圖3 襯層塌陷

2.2 失效風(fēng)險(xiǎn)分析

利用水壓等復(fù)合工藝將碳鋼基管和耐蝕合金襯管有機(jī)貼合在一起制備成機(jī)械復(fù)合管，管端設(shè)計(jì)封焊結(jié)構(gòu)固定，基管和襯管結(jié)合強(qiáng)度較低，襯層容易出現(xiàn)剝離和褶皺問題。由于采用雙層結(jié)構(gòu)，機(jī)械復(fù)合管對(duì)接焊接往往存在多層焊，既要解決襯層焊縫耐蝕問題，又要保證基管焊縫的強(qiáng)韌性，對(duì)接焊接難度較大，環(huán)焊縫也容易出現(xiàn)失效問題。

316L 內(nèi)襯復(fù)合管基管和襯層之間并非冶金結(jié)合，層間存在空隙，而且在制造過程中還容易殘留水氣等雜質(zhì)，因此，一旦制造或運(yùn)行中存在襯層外表面徑向載荷，當(dāng)徑向載荷大于內(nèi)襯鼓包失穩(wěn)臨界載荷時(shí)，內(nèi)襯就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于外防腐過程和鋪管過程的塌陷關(guān)注較多，在防腐過程中機(jī)械復(fù)合管工作溫度、結(jié)合強(qiáng)度和制造工藝都會(huì)影響襯層抗塌陷能力。研究認(rèn)為，機(jī)械復(fù)合管極限工作溫度為250～260 ℃，結(jié)合強(qiáng)度需控制到合理范圍，過大或過小都會(huì)影響抗塌陷能力，同時(shí)層間進(jìn)水也會(huì)加速襯層塌陷[11,15-16]；對(duì)于鋪管過程，研究認(rèn)為塌陷對(duì)襯層表面幾何缺陷非常敏感。另外，結(jié)合界面過盈量越大，襯管壁厚越大，機(jī)械復(fù)合管抗彎能力越高，但增加焊接點(diǎn)并不能消除襯層起皺現(xiàn)象[17-18]。對(duì)于運(yùn)行過程中襯層塌陷失效形成機(jī)制及影響因素分析的文獻(xiàn)報(bào)道較少，提出的襯層貫穿性缺陷引起的輸送介質(zhì)進(jìn)入層間進(jìn)而導(dǎo)致襯層塌陷的認(rèn)識(shí)也還有待進(jìn)一步研究，而且也缺乏相應(yīng)指標(biāo)控制[16]。

圖4 316L 內(nèi)襯機(jī)械復(fù)合管焊接順序示意圖

環(huán)焊縫往往是管道最薄弱部位，對(duì)于316L內(nèi)襯機(jī)械復(fù)合管對(duì)接焊工藝，圖4 展示了國內(nèi)外兩種主流焊接工藝的焊接順序示意圖。目前國外通常使用端部堆焊外加耐蝕合金焊材全程焊接，而國內(nèi)主要采用管端封焊結(jié)合不銹鋼焊材打底，以及過渡焊輔以碳鋼焊材填充焊和蓋面焊。研究表明，焊接失效與當(dāng)前國內(nèi)使用的焊接工藝關(guān)系較大，國內(nèi)主流焊接工藝復(fù)雜，焊接質(zhì)量難以保證，而且使用碳鋼焊條在不銹鋼材料上焊接會(huì)導(dǎo)致高硬度馬氏體組織形成，進(jìn)而成為裂紋快速擴(kuò)展通道，同時(shí)端部封焊結(jié)構(gòu)也容易產(chǎn)生如圖5 所示的結(jié)構(gòu)裂紋缺陷，進(jìn)而成為焊接失效源區(qū)。另外，該焊接工藝還會(huì)對(duì)襯層尤其是熱影響區(qū)反復(fù)加熱，一旦焊接電流過大或襯層保護(hù)不到位，就會(huì)造成熱影響區(qū)貧鉻耐蝕性能降低，進(jìn)而成為腐蝕源區(qū)[13,18-20]。

圖5 端部封焊產(chǎn)生的裂紋缺陷

鑒于當(dāng)前機(jī)械復(fù)合管固有的結(jié)構(gòu)屬性和主要使用的焊接工藝，因此，在役316L 內(nèi)襯機(jī)械復(fù)合管的焊接失效風(fēng)險(xiǎn)將長期存在，塌陷風(fēng)險(xiǎn)問題也將始終伴隨。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

現(xiàn)有檢測(cè)手段對(duì)于襯層塌陷、環(huán)焊縫開裂和環(huán)焊縫腐蝕三種典型失效形式涉及不多，目前襯層塌陷問題可以借助當(dāng)前成熟的變形檢測(cè)技術(shù)，使用通徑檢測(cè)器法或管內(nèi)攝像法實(shí)現(xiàn)塌陷形貌的有效識(shí)別，但焊縫腐蝕和開裂失效的有效排查難度較大。

當(dāng)前對(duì)于焊縫開裂或腐蝕檢測(cè)的前提就是開挖管道，利用傳統(tǒng)超聲波、射線、磁粉、相控陣等方法檢測(cè)，顯然此類方法不適用于在役管線風(fēng)險(xiǎn)排查，開挖工程量巨大可行性較差。非開挖條件下管道內(nèi)外檢測(cè)，雖然已經(jīng)發(fā)展了多種技術(shù)，但是各類技術(shù)在面對(duì)雙金屬復(fù)合管檢測(cè)時(shí)還是各自存在問題，適用性和可靠性還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在面對(duì)襯層塌陷復(fù)合管時(shí)不能有效通行而無法開展，且漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)無磁316L 焊縫腐蝕檢測(cè)適用性值得商榷，壓電超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于輸氣環(huán)境用復(fù)合管線耦合困難，應(yīng)用受限，電磁超聲技術(shù)和電磁渦流相對(duì)可行但技術(shù)成熟度不夠[21～24]； 外檢測(cè)技術(shù)中管線防腐層類檢測(cè)技術(shù)無法檢測(cè)管道損傷情況，磁力層析檢測(cè)技術(shù)適用于檢測(cè)鐵磁性材料，檢測(cè)316L 襯層困難，而且檢測(cè)結(jié)果易受地磁場(chǎng)的影響，瞬變電磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于碳鋼及低合金管線非開挖檢測(cè)，在雙金屬復(fù)合管外檢測(cè)中未見應(yīng)用。Nopig 檢測(cè)技術(shù)只能檢測(cè)關(guān)于管道軸心非對(duì)稱的金屬損失，不能檢測(cè)管壁厚度均勻減薄的情況[25-29]。

因此，雙金屬復(fù)合管的焊縫腐蝕和襯層塌陷失效問題，對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)，目前還沒有很好的應(yīng)對(duì)措施。綜合來看，當(dāng)前相對(duì)可行的在役雙金屬復(fù)合管失效控制方法主要有以下兩方面：

（1）基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的檢測(cè)驗(yàn)證。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，集輸管道較長輸管道距離短、交叉多并行多，且失效風(fēng)險(xiǎn)因素情況較為復(fù)雜，而且雙金屬復(fù)合管結(jié)構(gòu)屬性和焊接問題會(huì)加劇分析過程繁雜化； 經(jīng)驗(yàn)型風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主觀性強(qiáng)，易受評(píng)價(jià)人員知識(shí)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)積累影響，而且不能量化風(fēng)險(xiǎn)程度，難以給出信服的評(píng)價(jià)結(jié)果； 半定量評(píng)估方法對(duì)雙金屬復(fù)合管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，相比于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法簡單實(shí)用，相對(duì)于基于經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估方法又系統(tǒng)全面量化，因此，在以肯特打分半定量評(píng)估基礎(chǔ)上開展傳統(tǒng)開挖檢測(cè)驗(yàn)證相對(duì)較為可靠。

（2）基于多種內(nèi)檢測(cè)技術(shù)集成。電磁超聲技術(shù)是目前唯一能夠在氣管線檢測(cè)出裂紋缺陷的技術(shù)，但最小2 mm 裂紋深度檢測(cè)精度不能滿足檢測(cè)要求，對(duì)于焊縫和熱影響區(qū)的內(nèi)焊道處形狀反射波，易淹沒小缺陷回波； 相比來說，內(nèi)部渦流檢測(cè)技術(shù)可以檢查管道內(nèi)表面及近表面缺陷準(zhǔn)確度較高，還可進(jìn)行襯管損傷深度測(cè)量，相對(duì)技術(shù)可行性更大，將其有機(jī)結(jié)合漏磁檢測(cè)技術(shù)的基管檢測(cè)能力，為雙金屬復(fù)合管內(nèi)檢測(cè)提供了可能。從ROSEN 公司在我國海洋集輸用雙金屬復(fù)合管應(yīng)用效果來看，該集成技術(shù)能夠適用于大面積金屬損傷的檢測(cè)，但對(duì)小尺寸點(diǎn)蝕缺陷等不易檢出，尚需進(jìn)一步攻關(guān)。

4 結(jié)束語

雙金屬復(fù)合管材料差異大、結(jié)構(gòu)特殊、失效形式多樣且失效機(jī)制特殊，在役管道焊接失效風(fēng)險(xiǎn)將長期存在，塌陷風(fēng)險(xiǎn)問題也將始終伴隨，失效控制技術(shù)將會(huì)一直制約其安全應(yīng)用。目前來看，基于半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估檢測(cè)驗(yàn)證相對(duì)較為可靠，可作為主要失效控制技術(shù)之一，同時(shí)基于內(nèi)部渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)技術(shù)集成已能夠檢出大面積金屬損傷的檢測(cè)，為雙金屬復(fù)合管開展內(nèi)檢測(cè)排查失效風(fēng)險(xiǎn)提供了可能。