抽真空管線穿孔失效分析

張錫年 侯 莉 王朝旭

（1.中國石油天然氣股份有限公司西北銷售分公司；2.中國石油天然氣股份有限公司西北銷售寶雞分公司）

地下鋼質(zhì)輸油、輸氣管線穿過溝渠、道路及橋梁等特殊地段時， 為保護(hù)管線和便于日后維修，往往在主管的外面增設(shè)套管，套管內(nèi)主管線易發(fā)生腐蝕。 某埋地抽真空管線的穿越鐵路段采用套管結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)場檢修發(fā)現(xiàn)，套管兩端沒有進(jìn)行密封處理，底部存在積水。 管線的底部存在嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，并發(fā)生了兩處穿孔，直接導(dǎo)致管內(nèi)介質(zhì)泄漏，帶來了安全隱患。 為此，有必要對穿孔失效原因進(jìn)行研究。 筆者通過宏觀檢查、光譜分析、力學(xué)性能檢驗、金相檢驗及掃描電鏡和能譜分析，找出管線穿孔原因，并給出了處理建議。

1 運行工況

穿孔管線段規(guī)格為φ114mm，長約1 760mm，管內(nèi)工作介質(zhì)為汽油，操作壓力為-0.2MPa，操作溫度為常溫。

2 失效檢測

2.1 宏觀檢查

穿孔管段的形貌如圖1 所示。 由圖1 可見，管段左端存在一處穿孔（1#孔），呈心形狀，最大孔徑約4mm（圖1a），管段右端也存在一處穿孔（2#孔），孔呈蠕蟲狀（圖1b）；兩處穿孔均在管段的6 點鐘部位（管下部）；遠(yuǎn)離穿孔部位的管段外表面呈淡黃色，局部存在灰色的點蝕坑（圖1c）；管段內(nèi)壁發(fā)生了腐蝕，表面存在大量凹坑，穿孔附近的管段內(nèi)表面覆蓋著較厚的紅褐色腐蝕產(chǎn)物（圖1d）。 由2#孔中間徑向剖開形貌（圖1e）可見，穿孔區(qū)域附近壁厚發(fā)生了嚴(yán)重減薄。

圖1 穿孔管段宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對失效管段進(jìn)行光譜分析（表1），結(jié)果表明，失效管段化學(xué)成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 力學(xué)性能試驗

為了研究壁厚減薄對管段拉伸性能的影響，在管段無明顯腐蝕的部位、腐蝕程度較輕的部位和腐蝕減薄的部位分別取樣進(jìn)行室溫力學(xué)拉伸試驗，結(jié)果見表2。 由表2 可見，無明顯腐蝕部位和腐蝕程度較輕部位樣品的抗拉強度、 屈服強度、 斷后伸長率和沖擊功均符合GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)的要求；腐蝕減薄部位的抗拉強度遠(yuǎn)低于國標(biāo)規(guī)定的下限，且試驗終止于屈服階段之前。

表1 管段化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

表2 拉伸性能分析結(jié)果

2.4 壁厚測定

將1#穿孔部位徑向剖開后的形貌如圖2 所示，經(jīng)壁厚測定，管段6 點鐘位置的壁厚均值為1.7mm，可見穿孔處的壁厚發(fā)生了嚴(yán)重減薄。

圖2 1#穿孔部位徑向截面形貌

2.5 金相分析

管段穿孔處沿徑向截面分別取JX1、JX2 兩個樣品。 JX1 徑向截面形貌及其金相組織如圖3所示，可見外壁、內(nèi)壁表面均發(fā)生了全面腐蝕，局部存在大小不一的凹坑，凹坑邊緣較圓滑；穿孔部位附近壁厚嚴(yán)重減薄，組織為鐵素體+珠光體。圖4 為JX2 的徑向截面形貌，可見管段外壁表面局部腐蝕較內(nèi)壁表面嚴(yán)重。

2.6 掃描電鏡及能譜分析

圖3 穿孔附近區(qū)域徑向截面形貌及金相組織（JX1）

圖4 JX2 樣品徑向截面形貌 ×50

用日本JSM-6510 掃描電子顯微鏡和牛津XMax20 能譜儀分別對穿孔附近外壁、遠(yuǎn)離穿孔處的管段6 點鐘位置外壁及內(nèi)壁表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌（圖5）觀察和微區(qū)成分分析（表3）。 由分析結(jié)果可知，該部位外壁表面腐蝕產(chǎn)物呈顆粒狀、塊狀，整體較松散（圖5a，b）；內(nèi)壁表面腐蝕產(chǎn)物較致密（圖5c）。外壁和內(nèi)壁表面腐蝕產(chǎn)物均以鐵的氧化物為主，還有少量鐵的硫化物，外壁表面的S 元素含量較內(nèi)壁高，同時外壁表面含有大量Cl-。 此外，外壁和內(nèi)壁表面均存在大量的Na、Mg、Al、Si、K、Ca 等雜質(zhì)元素。

圖5 外壁、內(nèi)壁表面形貌

表3 主要元素能譜分析結(jié)果 wt%

3 討論

根據(jù)以上分析可知，失效管段化學(xué)成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，但嚴(yán)重減薄部位的強度已不滿足GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求。 管段外壁、內(nèi)壁表面均發(fā)生了全面腐蝕，穿孔失效部位外壁側(cè)發(fā)生了較嚴(yán)重的局部腐蝕。

現(xiàn)場檢修可見套管端口未堵塞或密封，導(dǎo)致雨、雪等進(jìn)入套管內(nèi)部，并以水的形式長時間積存于套管底部。 另外，管線未做防腐處理，同時也未設(shè)置陰極保護(hù)措施，使6 點鐘方向的管壁長時間與水接觸。 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果表明水中含有大量的S 元素和Cl-， 同時含有Na、Mg、Al、Si、K、Ca 等雜質(zhì)元素， 導(dǎo)致外壁表面發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，Cl-加速了腐蝕過程。同時，管線運行過程中，管內(nèi)抽真空后，表面存在介質(zhì)殘留，導(dǎo)致管內(nèi)壁發(fā)生了硫化物腐蝕，在外壁和內(nèi)壁腐蝕的共同作用下，管段壁厚減薄。

4 結(jié)論及建議

套管端口未堵塞， 導(dǎo)致套管內(nèi)部存在積水。管線未做防腐處理， 也未設(shè)置陰極保護(hù)措施，處于套管底部的管段外壁表面發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，Cl-加速了腐蝕過程，同時管內(nèi)壁發(fā)生了硫化物腐蝕。 在外壁和內(nèi)壁腐蝕的共同作用下，管段壁厚減薄， 最后在局部腐蝕較嚴(yán)重部位最先發(fā)生穿孔。

管線在停用或檢維修狀態(tài)時對套管底部積液進(jìn)行清理，停用時進(jìn)行氮氣保護(hù)；對管線進(jìn)行定期檢驗；對套管兩端進(jìn)行密封；每年對套管外側(cè)進(jìn)行導(dǎo)波檢測；套管做外壁防腐（管線外澆涂石油瀝青，中間夾纏玻璃布），防止因套管腐蝕而使環(huán)形空間滲入地下水或腐蝕性介質(zhì)；設(shè)置陰極保護(hù)裝置，選用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)工藝參數(shù)。