20#鋼熱煨彎管的腐蝕穿孔分析

張 泉

（中國石油遼河油田公司物資分公司產(chǎn)品檢驗中心，遼寧 盤錦 124010）

20#鋼熱煨彎管失效形式多樣，其中介質(zhì)流動造成的沖蝕破壞是管道常見的失效形式之一[1，2]。20#鋼熱煨彎管發(fā)生腐蝕泄漏。該彎管制造工藝為熱煨成型，材質(zhì)20#鋼，彎管母材Φ219*10,材質(zhì)20#無縫鋼管，執(zhí)行標準為GB/T 8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》，熱煨工藝應(yīng)符合介質(zhì)輸送要求。此管線設(shè)計流量150m3/d（流體）、，壓力2.5Mpa,設(shè)計溫度70℃。實際服役時間未超過2年,發(fā)生腐蝕穿孔。

1 無損檢測

使用游標卡尺測量彎管過渡區(qū)截面壁厚，測得結(jié)果為10.17mm。使用PHASOR XS相控陣超聲波探傷儀對過渡區(qū)未有涂層的部位進行斜波入射軸向及軸向掃查，對母材內(nèi)部橫向及縱向缺陷進行相控陣超聲波檢測，回波顯示分析，在掃查區(qū)域的母材內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷回波顯示，未檢測到缺陷。由于彎曲處腐蝕嚴重，對無損檢測的檢驗結(jié)果有較大影響，無法對其開展有效分析和判定。

2 化學(xué)成分分析

使用斯派克直讀光譜儀對過渡區(qū)、彎曲處腐蝕點附近進行化學(xué)成分分析。檢驗結(jié)果表明，失效彎管化學(xué)成分符合GB/T 8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》的標準要求。

3 力學(xué)性能檢驗

3.1 拉伸試驗

在過渡區(qū)外側(cè)及內(nèi)側(cè)的直管段部分分別取拉伸試樣，試樣寬度38mm,標距110mm，按照GB/T 8163-2008標準在室溫下進行拉伸試驗，試驗設(shè)備為Zwick Z330ReD型電子萬能材料試驗機。結(jié)果表明，熱煨彎管力學(xué)性能符合GB/T 8163-2008的標準要求。

表1 過渡區(qū)拉伸試驗檢驗結(jié)果

3.2 硬度試驗

取彎管過渡區(qū)的腐蝕點、腐蝕點周邊及直管段部分，彎曲處外弧面的腐蝕點、腐蝕點周邊及內(nèi)弧面部分開展全截面試樣測試彎管截面硬度，試驗設(shè)備為KB3000BVRZ-VIDeO型數(shù)字萬能硬度試驗機，結(jié)果見表2。

表2 硬度檢驗結(jié)果

根據(jù)SY/T 5257-2012的要求，可知過渡區(qū)直管段部分符合標準要求，但過渡區(qū)腐蝕點處、彎曲處外弧面腐蝕點處及腐蝕點周邊的硬度值均已超過C級彎管的硬度要求,彎曲處外弧面腐蝕點的硬度值已超過B級彎管的硬度要求。

4 金相分析

取過渡區(qū)的腐蝕點處、腐蝕點周邊及直管段，彎曲處外弧面腐蝕點、腐蝕點周邊及內(nèi)弧面部分的金相試樣，使用蔡司Axio Observer A1M型倒置金相顯微鏡進行顯微組織觀察分析。結(jié)果見表3。

表3 金相檢驗結(jié)果

失效彎管感應(yīng)彎曲后的顯微組織并不均一，不符合SY/T 5257-2012中的要求。20#鋼熱軋態(tài)應(yīng)為鐵素體+珠光體，而過渡區(qū)及彎曲處上貝氏體的大量存在，對材料的塑性及韌性會產(chǎn)生較大影響，這可能是導(dǎo)致發(fā)生腐蝕的原因之一。

5 微觀分析

對彎管過渡區(qū)及彎曲處的腐蝕點開展電子顯微鏡微觀形貌掃描和微區(qū)能譜分析。試驗設(shè)備為Thermo Fisher Scientifc 公司Quattro S型掃描電子顯微鏡，牛津儀器公司Oxford X-MAX20型能譜儀。過渡區(qū)、彎曲處腐蝕點及腐蝕帶內(nèi)的微觀形貌如圖1所示，均表現(xiàn)為較平滑的層狀及不規(guī)則的疏松狀結(jié)構(gòu)腐蝕產(chǎn)物。微區(qū)能譜分析發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物主要成分均為O、Na、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Fe，氧元素含量較高可能由于彎管取樣后在空氣中形成氧化物，無法確認是否由于彎管內(nèi)流體所含。

圖1 過渡區(qū)、彎曲處腐蝕帶（500X）

過渡區(qū)、彎曲處黑色腐蝕沉積物微觀形貌如圖2所示，主要呈球形顆粒狀結(jié)構(gòu)，沉積物中球形顆粒數(shù)量較多，最大顆粒尺寸超過1mm；對過渡區(qū)及彎曲處不同形態(tài)的三處位置進行微區(qū)能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物主要成分為O、Na、Mg、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Mn、Fe。但沉積物中S元素含量相比腐蝕帶內(nèi)的硫元素含量高出約17.4%，初步分析是由于彎管內(nèi)輸送流體中硫元素含量較高，以至形成硫化腐蝕產(chǎn)物。

圖2 過渡區(qū)、彎曲處腐蝕沉積物（500X）

另對彎管內(nèi)壁取片狀腐蝕產(chǎn)物，對其進行平面及截面微觀形貌及能譜分析。腐蝕產(chǎn)物表面呈沙粒狀顆粒物，見圖3，腐蝕產(chǎn)物片層厚度約為0.9mm～1.0mm，對三處不同位置進行微區(qū)能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物主要化學(xué)成分為O、Al、Si、S、K、Ca、Fe。發(fā)現(xiàn)S元素含量較高，分析是由于彎管內(nèi)輸送流體中S元素含量較高，與彎管內(nèi)壁發(fā)生腐蝕作用，并與流體中的固相顆粒相結(jié)合，形成片狀腐蝕產(chǎn)物。

圖3 內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物（500X）

6 綜合分析

（1）20#鋼熱煨彎管化學(xué)成分、力學(xué)拉伸性能符合SY/T5257—2012 和 GB/T 8163—2008 的標準要求。過渡段彎曲處外弧面的維氏硬度較高，過渡區(qū)腐蝕點處、彎曲處外弧面腐蝕點處及腐蝕點周邊的硬度值均已超過C級彎管的硬度要求，其中彎曲處外弧面腐蝕點的硬度值已超過B級彎管的硬度要求。

（2）彎管金相顯微組織不均一，不符合SY/T 5257—2012的標準要求。

（3）微區(qū)能譜分析發(fā)現(xiàn)腐蝕沉積物及內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物中S元素含量較高。

7 結(jié)語

彎管熱煨過程中，由于熱處理工藝不當，彎管整體熱處理不均勻，外弧面管壁金相組織中存在上貝氏體，且未消除外弧面管壁拉應(yīng)力，存在殘余應(yīng)力，降低了材料性能，是造成彎管腐蝕失效的主要原因；輸送介質(zhì)中因S元素的存在，導(dǎo)致輸送的流體呈酸性，從而對彎管內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕作用；彎管腐蝕處處于外弧面與流體入口呈約7°～20°夾角的位置，流體在輸送過程中在此處開始發(fā)生流向變化，流體內(nèi)的固體顆粒物對彎管外弧面的內(nèi)壁產(chǎn)生較大的沖蝕作用。綜上，彎管外弧面存在殘余拉應(yīng)力，材料性能降低，在管道流體介質(zhì)的不斷沖刷作用下，外弧面內(nèi)壁發(fā)生持續(xù)的沖蝕，導(dǎo)致失效情況發(fā)生。