L360M HFW焊管泄漏原因分析*

聶向暉，徐 斌，豐振軍，許 彥，劉迎來，李 亮

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中國石油天然氣股份有限公司管道大連輸油氣分公司 遼寧 大連 116100)

0 引 言

管道輸送是各種石油、天然氣輸送方式中最為經(jīng)濟和安全的輸送方式，管道輸送安全問題一直是人們關(guān)注的重點[1-4]，除了鋼管制造缺陷、焊接施工缺陷、管線運行超壓等原因外，由于管線在環(huán)境介質(zhì)中的腐蝕而導致的泄漏事故也經(jīng)常發(fā)生。

某天然氣管道采用L360M鋼級Φ219.1 mm×7.0 mm高頻電阻焊(HFW)鋼管，鋼管生產(chǎn)標準為GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，鋼管外壁為環(huán)氧煤瀝青加冷纏帶防腐層，管道工作壓力為3.6 MPa，埋深約2 m，接近當?shù)厮€。該管道未進行陰極保護，管道附近沒有變電站、高壓輸電線等易引起雜散電流腐蝕的因素，當?shù)赝寥罏槿鯄A性土壤，pH值約為7.5～8.5。該管道自2015年投入使用以來，發(fā)生了多起燃氣泄漏事故，為確定管道燃氣泄漏原因，對該泄漏管道取樣進行理化檢驗及失效原因分析。

1 宏觀檢查

現(xiàn)場截取發(fā)生燃氣泄漏事故的鋼管樣品，如圖1所示。

圖1 泄漏鋼管樣品

由圖1可見，鋼管表面防腐層破損嚴重，部分防腐層已從管體上剝離脫落，防腐層脫落處的鋼管表面覆蓋著棕褐色泥土及腐蝕產(chǎn)物。經(jīng)表面清理后發(fā)現(xiàn)，防腐層粘接完好部位鋼管表面呈金屬光澤，未見明顯腐蝕痕跡，而防腐層脫落處的管體呈均勻腐蝕和局部點腐蝕形貌。在1號鋼管防腐層脫落處上存在一簇密集蝕孔，其中最大蝕孔直徑約為10 mm，該蝕孔為貫穿性缺陷，內(nèi)壁蝕孔直徑約為2 mm，如圖2所示。此外，鋼管內(nèi)壁其它部位未發(fā)現(xiàn)蝕坑。

圖2 鋼管泄漏處外壁及內(nèi)壁形貌

2 鋼管理化性能檢驗

在鋼管未泄漏部位取樣，分別進行化學成分分析、拉伸和壓扁試驗，試驗結(jié)果見表1～表3。由試驗結(jié)果可以看出，該鋼管的各項檢驗指標滿足GB/T 9711—2011標準的要求。

表1 化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 拉伸性能試驗結(jié)果

表3 壓扁試驗結(jié)果

3 鋼管金相檢驗及能譜分析

在鋼管未泄漏部位及蝕孔處分別取金相試樣，用MEF3A金相顯微鏡圖像分析系統(tǒng)，按照GB/T 13298—2015標準對鋼管進行金相分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，該鋼管的顯微組織為鐵素體和少量珠光體組織，鐵素體晶粒較細小，晶粒度為10.5級，鋼管蝕孔部位組織未見異常，亦未發(fā)現(xiàn)較大的夾雜物。

圖3 鋼管金相組織

從管體泄漏點附近取樣進行掃描電鏡和能譜分析，其微觀形貌如圖4所示。由圖4可見，鋼管穿孔處腐蝕嚴重，管體外表面被疏松的腐蝕產(chǎn)物所覆蓋。對圖4所示部位的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結(jié)果見表4。由表4可以看出，鋼管的腐蝕產(chǎn)物主要包括O、Fe、Si、Ca、Cl元素，其中Si和Ca元素主要來自于土壤。

圖4 蝕孔處微觀形貌

表4 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

4 分析與討論

由鋼管的理化性能檢驗結(jié)果可以看出，該泄漏鋼管的化學成分、機械性能符合GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標準的要求，該鋼管的金相組織為鐵素體+珠光體組織，晶粒尺寸較細，達到10.5級，且腐蝕穿孔處的組織正常，未見明顯的夾雜、折疊等冶金和軋制缺陷。

由宏觀檢驗結(jié)果可知，該鋼管的外防腐層破損嚴重，腐蝕主要發(fā)生在鋼管的外表面，特別是防腐層破損及脫落導致的鋼管與土壤直接接觸部位，成為腐蝕較嚴重的區(qū)域，而鋼管的內(nèi)表面腐蝕較輕微，除泄漏部位外，未見明顯的蝕孔。腐蝕穿孔的形貌表現(xiàn)為外表面尺寸大而內(nèi)表面尺寸小的特點，即該處蝕孔源于鋼管的外表面，沿壁厚方向逐步向內(nèi)表面發(fā)展，直至管道泄漏，鋼管腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物。

該鋼管為穿孔型泄漏，根據(jù)管體涂層破損情況、穿孔形貌及周圍環(huán)境特點，管體上孔洞形成的主要原因是：鋼管外表面防腐層破損造成了鋼管外表面腐蝕及穿孔。由于土壤是由多種物質(zhì)組成的混合物，含水形成電解質(zhì)水溶液，該管道埋深位于當?shù)厮痪€附近，干濕交替的環(huán)境很容易使金屬材料發(fā)生腐蝕。在防腐層破損處形成腐蝕通道，腐蝕性電解質(zhì)溶液通過該通道傳輸?shù)戒摴鼙砻?，促使鋼管表面發(fā)生局部腐蝕。由于鋼管表面污染物質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物吸收水分等原因，在管體表面形成腐蝕原電池，陽極發(fā)生Fe→Fe2++2e-的氧化反應(yīng)，陰極主要發(fā)生1/2O2+H2O +2e-→2OH-還原反應(yīng)。隨著腐蝕過程的進行，腐蝕沉積物下的金屬表面缺氧而作為腐蝕電池的陽極，發(fā)生鐵的溶解反應(yīng)，外部供氧充足而成為腐蝕電池的陰極，發(fā)生氧還原反應(yīng)，該腐蝕電池具有大陰極小陽極的特點，沉積下的腐蝕不斷加劇，二次腐蝕產(chǎn)物(Fe2++2OH-→Fe(OH)2)和沉積物堆積在一起，逐步發(fā)展為閉塞電池[5-7]。

在后續(xù)的腐蝕過程中，由于點腐蝕的自催化作用，蝕孔內(nèi)電解質(zhì)溶液的pH值逐漸下降，從而形成酸性環(huán)境加劇了蝕孔的擴展。蝕孔形成后，由于供氧差異，蝕孔外的金屬成為腐蝕原電池的陰極而受到保護，而蝕孔內(nèi)金屬作為腐蝕原電池的陽極發(fā)生溶解, 使蝕孔內(nèi)Fe2+不斷增加，為保持電中性，蝕孔外Cl-等陰離子向孔內(nèi)遷移，孔內(nèi)Cl-濃度逐漸升高。由于蝕孔內(nèi)金屬離子濃度增高并發(fā)生水解，促使孔內(nèi)H+濃度升高，pH值降低，孔內(nèi)發(fā)生酸化反應(yīng)，孔內(nèi)金屬處于活化溶解狀態(tài)，同時蝕孔外的Cl-又不斷地向蝕孔內(nèi)遷移，這樣使孔蝕以自催化的形式連續(xù)發(fā)生，從而促進腐蝕的迅速發(fā)展，使蝕坑深度不斷增大，最終貫穿鋼管管壁形成泄漏孔洞。

5 結(jié)論與建議

1)發(fā)生泄漏的HFW焊管的化學成分、力學性能等符合標準要求。

2)該焊管發(fā)生泄漏的主要原因是焊管外表面涂層破損，管體外表面金屬與其周圍土壤接觸而導致管體腐蝕穿孔。

3)為避免該類事故再次發(fā)生，應(yīng)進行管線防腐層檢驗，對防腐層破損處進行修復，以預防管線鋼管發(fā)生腐蝕失效。