316L襯里復合管道主要失效形式及其完整性檢測技術研究

趙新偉,魏 斌,楊專釗,聶向暉,李發(fā)根,李為衛(wèi)

(中國石油集團石油管工程技術研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安 710077)

0 引言

當油氣介質中CO2和/或H2S含量較高時，普通碳鋼或低合金鋼管難以滿足內防腐要求。因此，選擇技術可行、經(jīng)濟合理、安全可靠的油氣集輸管道材料是油氣田地面工程領域的一項關鍵技術。雙金屬復合鋼管兼顧了碳鋼或低合金鋼的高強度與不銹鋼或耐蝕合金良好的耐蝕性，同時與純不銹鋼或耐蝕合金鋼管相比更為經(jīng)濟，在高含CO2和/或H2S油氣田的油氣集輸管道上已大量應用[1-5]。

雙金屬復合鋼管的外層管(稱為基管)，由碳鋼或低合金鋼焊管或無縫管構成，起到承壓和支撐內層管的作用，用以保證管道的各項力學性能。內層材料為不銹鋼、鐵-鎳基合金、鎳基合金或其他耐蝕合金材料，若與基管之間為冶金結合，稱為內覆層(Clad layer);若與基管之間為機械結合，稱為襯里層或內襯層(Lined layer)。內層材料的主要功能是提高管道耐腐蝕與抗沖刷性能，延長管道使用壽命。雙金屬復合鋼管按基管與內層材料復合方式不同，分為機械復合和冶金復合，分別稱為襯里耐蝕合金復合鋼管和內覆耐蝕合金復合鋼管[6]。20世紀90年代初，國際上開始應用雙金屬復合管，我國從21世紀初開始雙金屬復合管的開發(fā)及應用，目前已是雙金屬復合管的制造大國，在油氣集輸管線上的應用已超過1 000 km。在雙金屬復合管中，316L不銹鋼襯里復合鋼管的用量最大，占到80%以上，在高含CO2和/或H2S油氣集輸管道上取得良好的防腐效果。但是，316L不銹鋼襯里復合管道也發(fā)生過多起泄漏、開裂失效事故，未能完全做到免維護，管道檢測、修復等管道完整性技術面臨一些技術難題和挑戰(zhàn)。

本文綜述316L不銹鋼襯里復合管道的主要失效形式，分析316L不銹鋼襯里復合管道在管道檢測方面面臨的技術挑戰(zhàn)，并驗證漏磁內檢測技術、爬行機器人視頻檢測技術以及射線、超聲常規(guī)無損檢測技術在316L不銹鋼襯里復合管道的適用性，研究提出基于風險的管道檢測方法。

1 316L襯里復合管道主要失效形式

從20世紀90年代開始，國際上在油氣輸送領域應用雙金屬復合鋼管，基管材料主要為X52和X65，耐腐蝕合金層主要為316L和鎳基合金825，規(guī)格為?114 mm～?998 mm，主要用于含H2S/CO2和Cl-苛刻腐蝕環(huán)境。在國內，2005年塔里木油田開始采用國產(chǎn)中小口徑(?60 mm～?168 mm)襯里復合鋼管(20G/316L)用于高含CO2和Cl-油氣集輸，并有良好的防腐效果，這是復合鋼管在國內油氣田的首次使用。2011年，國產(chǎn)316L內襯復合鋼管開始應用于海洋油氣集輸管道，先后在多個海上油氣田應用超過100 km，材料為X65/316L，規(guī)格?168 mm～?219 mm。2013年開始，大口徑316L襯里復合鋼管在塔里木油田集氣干線得到試用與推廣，規(guī)格主要為?508 mm和?355.6 mm，材料X65/316L。截至目前，雙金屬復合鋼管在國內油氣田的使用里程已近2 000 km[7]，在中石油、中石化和中海油等油氣公司都有應用，而且以316L襯里復合鋼管應用最多，占到雙金屬復合管應用量的80%。

盡管316L襯里復合鋼管應用于油氣集輸管線有良好的防腐效果，但316L襯里復合管道也發(fā)生了多起失效事故。從316L襯里復合管道失效案例統(tǒng)計分析結果來看，主要的失效形式包括環(huán)焊縫腐蝕刺漏、環(huán)焊縫開裂、襯里層塌陷和襯里層腐蝕，尤其是前三種失效形式占比較高。

1.1 環(huán)焊縫腐蝕刺漏

環(huán)焊縫腐蝕刺漏主要發(fā)生于采用“封焊+多層焊”焊接工藝的管道，腐蝕主要發(fā)生于焊接熱影響區(qū)以及熔合線部位，少量發(fā)生于焊縫中心部位，腐蝕形貌如圖1所示。端部若采用封焊工藝設計(如圖2所示)，封焊過程中不銹鋼焊材不斷往316L襯里層上熔焊，襯里層會反復受熱，一旦封焊電流使用過大，則會造成管端襯里層熱影響區(qū)晶粒粗大[8]；現(xiàn)場環(huán)焊采用藥芯焊絲，背面未充氬氣保護，保護效果不佳，會導致襯里層局部嚴重貧Cr(例如失效樣品焊縫及熱影響區(qū)Cr含量分別僅為10.96%和5.77%)。上述因素使復合鋼管焊縫及熱影響區(qū)的耐腐蝕能力嚴重降低，現(xiàn)場檢驗手段又難以發(fā)現(xiàn)，最終導致焊縫刺漏。

(a)焊縫中心刺漏

(b)熱影響區(qū)刺漏

圖2 襯里復合鋼管端部封焊示意

1.2 環(huán)焊縫開裂

環(huán)焊縫開裂失效的宏觀形貌如圖3所示。失效分析發(fā)現(xiàn)采用“封焊+多層焊”焊接工藝的焊接接頭，在基管、襯里層和封焊交界位置易出現(xiàn)孔洞和裂紋缺陷(見圖4)，構成了啟裂源區(qū)，另外，焊縫存在高硬度(超過400HV10)的馬氏體組織，韌性差，一旦有裂紋萌生就會很快擴展，最終導致環(huán)焊縫開裂失效。

圖3 環(huán)焊縫開裂宏觀形貌

圖4 環(huán)焊縫孔洞缺陷及裂紋擴展路徑

1.3 襯里層塌陷

國內油氣田316L襯里復合鋼管發(fā)生了較多的襯里層塌陷失穩(wěn)現(xiàn)象，有兩種情況：一種情況是發(fā)生在復合鋼管3PE外防腐過程中，如圖5(a)所示；另一種情況是塌陷發(fā)生在管道服役過程，如圖5(b)所示。造成防腐施工中襯層塌陷的原因是，復合工藝管控不到位，基管和襯管間隙中存在氣體、水分，外防腐過程中鋼管溫度升高造成間隙高壓，從而導致襯里層失穩(wěn)。

(a)外防腐過程襯層塌陷

(b)運行中襯層塌陷

運行中襯里層塌陷的機理和原因尚不明確，可能與以下因素有關：(1)襯里層徑厚比設計與管材截面圓度等控制不到位，影響了襯里層結構穩(wěn)定性和抗塌陷能力；(2)運行過程中，環(huán)焊縫刺漏導致高壓輸送介質進入基管與襯里層間隙，管線因停輸檢修快速泄壓時，由于間隙中高壓介質來不及釋放，存在較高壓差，從而導致襯里層塌陷失穩(wěn)。

1.4 襯里層腐蝕

國內某油田使用的316L襯里復合鋼管發(fā)生了襯里層腐蝕，典型的腐蝕形貌如圖6所示。工況參數(shù)為：天然氣中CO2含量0.59%～1.04%，CO2分壓最高0.19 MPa，Cl-含量125 000 mg/L，不含H2S，運行過程中溫度低于60 ℃。運行工況參數(shù)在國際上推薦的316L適用服役環(huán)境范圍內[9]，理論上，316L襯里層不應該出現(xiàn)點腐蝕。經(jīng)排查管線服役歷史，投產(chǎn)初期運行溫度超過設計溫度，最高達到93 ℃，而且在酸化作業(yè)后有殘酸進入管線，從而導致襯里層管體發(fā)生腐蝕。在實驗室模擬投產(chǎn)初期工況進行30天的腐蝕試驗，觀察到316L材料表面有腐蝕坑存在，證實了上述結論。

圖6 316L襯里層腐蝕形貌

2 316L襯里復合管道檢測技術研究

因為316L襯里復合管道發(fā)生多起失效事件，必須重視其完整性管理。損傷缺陷檢測技術是316L襯里復合管道完整性管理急需解決的關鍵技術。對于襯里層塌陷，可以通過清管通球或者通徑檢測發(fā)現(xiàn)。對于316L襯里復合管道環(huán)焊縫腐蝕、開裂及襯里層腐蝕的檢測，面臨技術挑戰(zhàn)和困難，在現(xiàn)有內檢測技術中，有些技術不適用于316L襯里復合管道，有些技術應用于316L襯里復合管道有局限性。如目前應用較廣泛也較成熟的管道漏磁檢測器(MFL)，因為316L奧氏體不銹鋼為非鐵磁性材料，使該技術不能檢測內襯管缺陷；超聲內檢測器因為耦合問題，不能應用于輸氣管線；電磁超聲(EMAT)內檢測器在國外已經(jīng)開發(fā)成功且商業(yè)化[10-11]，但該技術在管道環(huán)向缺陷以及非軸向缺陷定量化檢測方面存在局限性[11]，在國內，目前該技術尚處在開發(fā)階段；爬行機器人視頻內檢測技術，只能檢測內表面缺陷，而且必須停輸。另外，由于316L襯里復合管道塌陷情況較普遍，存在內檢測器無法通過的可能。以下試驗驗證漏磁檢測技術和爬行機器人視頻內檢測技術在316L復合管道上應用的可行性，結合現(xiàn)有技術條件，研究提出基于風險的開挖檢測方法，以滿足316L襯里復合管道現(xiàn)場檢測需要。

2.1 內檢測技術的適用性試驗驗證

2.1.1 漏磁檢測技術(MFL)

采用?508 mm三軸高清漏磁檢測器在長度約100 m的試驗管段上進行牽拉試驗。試驗管段由普通碳鋼管和2段316L襯里復合管道組成，中間用法蘭連接。316L襯里復合管道取自油田現(xiàn)場，規(guī)格為?508 mm，基管材料為L245，公稱壁厚15 mm，襯里層為316L不銹鋼，公稱壁厚2.5 mm。2個316L襯里復合管段均包含環(huán)焊縫，1#管段的環(huán)焊縫有一處腐蝕刺漏，在法蘭連接處有襯里層塌陷，2#管段上無原始缺陷。在基管內外表面預制8個人工缺陷，缺陷直徑為30 mm和50 mm，深度1.7～7.0 mm。在316L襯里層上預制3個人工缺陷，為環(huán)向刻槽，軸向寬度1 mm，環(huán)向長度40 mm，深度0.75～2.5 mm。分別進行了0.5,1,2,3 m/s等4種速度下的牽拉試驗，圖7示出了速度0.5 m/s下牽拉試驗給出的特征信號。圖7中，1#～8#為基管上預制缺陷的特征信號，襯里層上預制的3個缺陷(編號為9#～11#)無特征信號顯示?？梢姡琈FL可檢測到環(huán)焊縫位置、環(huán)焊縫腐蝕刺漏、襯里層塌陷、基管內外表面缺陷，但無法檢測到316L不銹鋼襯里層上的缺陷。實際工程中，由于油田集輸管線服役環(huán)境苛刻，一旦襯里層腐蝕并發(fā)展到基管，很快就會腐蝕穿孔，因此，對于不銹鋼襯里復合管道，及早檢測發(fā)現(xiàn)襯里層缺陷比檢測發(fā)現(xiàn)基管缺陷更有意義。另外，襯里層嚴重塌陷可能會導致MFL檢測器無法通過。

圖7 MFL給出的缺陷特征信號

2.1.2 爬行機器人視頻檢測技術

采用爬行機器人視頻檢測技術對某油田集氣干線的?508 mm×(14.2+2.5) mm 316L襯里復合管道進行內檢測，檢測在停輸條件下的2個管線開口處進行。檢測發(fā)現(xiàn)，該集氣干線復合管道的316L內襯層塌陷比較嚴重，而且多處環(huán)焊縫及其附近發(fā)生腐蝕。表1,2列出爬行機器人視頻檢測的部分結果。圖8為檢測到的管道典型缺陷形貌。檢測試驗結果表明，爬行機器人視頻檢測技術可以有效地檢測316L復合管道內部的塌陷及表面損傷情況，但管道內壁塌陷變形程度、內壁積液、機器人續(xù)航等因素對檢測有一定的影響。由于該技術必須在管道停輸條件下使用，限制了其應用。另外，襯里層塌陷嚴重時，檢測器將無法通過。在管道建設期，可以采用該方法檢查環(huán)焊縫表面質量和缺陷。最近，塔里木油田已將該技術應用于2205不銹鋼管線施工質量檢查中。

表1 爬行機器人視頻檢測發(fā)現(xiàn)的襯里層塌陷

表2 爬行機器人視頻檢測發(fā)現(xiàn)的內表面腐蝕損傷

圖8 采用爬行機器人視頻檢測技術檢測到的管道缺陷

2.2 基于風險的環(huán)焊縫開挖檢測技術

316L襯里復合管道環(huán)焊縫腐蝕和環(huán)焊縫開裂，在不停輸條件下，缺乏有效的內檢測手段，根據(jù)管道檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀，解決316L內襯復合管道檢測在工程上可行的方法是基于風險的開挖檢測，即在風險評估的基礎上，對高風險區(qū)段的環(huán)焊縫進行開挖，然后采用射線(RT)、超聲(UT)等常規(guī)無損檢測手段進行環(huán)焊縫缺陷檢測。

基于風險的管道環(huán)焊縫開挖檢測的基礎是管道風險評估。由于雙金屬復合管線應用時間還比較短，工程經(jīng)驗少，積累數(shù)據(jù)非常有限，不具備建立定量風險評估方法的基礎，建立半定量的316L襯里復合管道風險評估方法(即評分法)，在工程上更可行。在316L襯里復合管道失效調查的基礎上，充分征詢設計、制造、施工、運行管理等方面專家意見和經(jīng)驗，針對腐蝕刺漏和環(huán)焊縫開裂失效風險，從設計、制造、施工、運行和環(huán)境5個方面，分別識別出28個和17個風險因素，并給出了相應的打分權重和賦值方法，建立了半定量的風險評分法。該方法能夠較全面地考慮管道設計、制造、施工和運行等全過程風險因素，打分權重和分值充分結合了管道設計、制造、施工及運行管理等方面的專家經(jīng)驗，工程適用性強，為開展基于風險的開挖檢測奠定了基礎。

以某油田KS2集氣干線?508 mm的316L襯里復合管道的風險評估為例。該管線基管材料為L245，壁厚為14.2，20 mm，316L襯里層厚度2.5 mm，管線長度29.16 km。在管道屬性和服役環(huán)境調查基礎上，劃分了4個評價單元，在風險因素識別基礎上，采用半定量風險打分方法對4個評價單元的環(huán)焊縫腐蝕刺漏和環(huán)焊縫開裂風險分別進行評估。作為算例，表3,4列出評價單元1環(huán)焊縫腐蝕刺漏和環(huán)焊縫開裂風險因素識別及風險評分結果。表5列出KS2集氣干線兩種風險的綜合評估結果。對環(huán)焊縫腐蝕刺漏和環(huán)焊縫開裂每一類風險，最優(yōu)為10分，分值越低、風險越高。根據(jù)風險評估結果，管道風險由高到低的排序為單元1(11.61分)、單元4(12.35分)、單元2(12.95分)和單元3(13.55分)，對應的歷史環(huán)焊縫失效次數(shù)分別為8次，3次，1次和0次。風險評估結果和歷史失效次數(shù)統(tǒng)計結果是一致的。

基于風險評估結果，對該KS2集氣干線的?508 mm 316L襯里復合管道中風險最高區(qū)段(評價單元1)的5道環(huán)焊縫進行開挖檢測，驗證了X射線檢測和超聲檢測兩種方法對316L襯里復合管道環(huán)焊縫檢測的適用性。圖9示出?508 mm 316L襯里復合管道環(huán)焊縫部分RT檢測結果，圖中的環(huán)焊縫腐蝕缺陷和開裂缺陷均為射線Ⅳ級片。另外，在同一位置，采用UT檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷回波信號位于Ⅲ區(qū)，超過判廢線?，F(xiàn)場RT和UT檢測試驗結果表明,采用RT和UT方法可以檢測316L襯里復合管道環(huán)焊縫腐蝕和裂紋缺陷，在開挖條件下，RT和UT檢測是316L襯里復合管道環(huán)焊縫檢測的有效手段。

表3 KS2集氣干線評價單元1環(huán)焊縫刺漏風險因素識別及評分結果

表4 KS2集氣干線評價單元1環(huán)焊縫開裂風險因素識別及評分結果

(續(xù)表4)

表5 ?508 mm 316L襯里復合管道風險評分結果

(a)環(huán)焊縫腐蝕

(b)環(huán)焊縫開裂

3 結語

(1)316L襯里復合鋼管在國內高含H2S/CO2和Cl-油氣集輸管線上的應用取得了良好的防腐效果，但也發(fā)生了多次失效事件。主要失效形式包括環(huán)焊縫腐蝕刺漏、環(huán)焊縫開裂、襯里層塌陷和襯里層腐蝕等。

(2)損傷缺陷檢測技術是316L襯里復合管道完整性管理亟待解決的關鍵技術，目前缺乏有效的內檢測手段。在管道上應用較成熟的漏磁檢測(MFL)技術可以檢測316L襯里復合管道環(huán)焊縫刺漏、內襯塌陷、基管損傷等缺陷，但無法檢測316L不銹鋼襯里層表面缺陷。管道爬行機器人視頻檢測技術可檢測襯里層塌陷、表面損傷以及焊縫腐蝕缺陷，但必須在停輸條件下進行。

(3)基于現(xiàn)有技術條件，研究建立了基于風險的環(huán)焊縫開挖檢測方法，可以滿足316L襯里復合管道檢測的需要。