塔河油田某伴生氣管線螺旋焊縫失效原因分析

聞小虎，石 鑫，張 麗，王毛毛，魏曉靜，陳迎鋒，劉冬梅

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 102209)

0 前 言

塔河油田伴生氣集輸管道主要為20鋼、L245NS，采用緩蝕劑防護內壁。伴生氣內含大量H2S和CO2，金屬集輸管線在強腐蝕環(huán)境中，高溫下的垢下腐蝕、氧腐蝕、細菌腐蝕均加速了金屬管道的腐蝕穿孔。與原油管線不同，伴生氣泄露不易被發(fā)現(xiàn)，一旦H2S氣體泄漏逸散，會快速大面積造成人員中毒，安全風險大。若搶修停運，伴生氣將放空運行，生產影響范圍廣，經濟損失大。塔河油田某伴生氣管線螺旋焊縫開裂。為了分析該問題，本工作觀察了失效管線，明確了伴生氣管線螺旋焊縫的失效原因，為減緩伴生氣管道斷裂提供了一定的技術支撐。

1 管線斷裂原因分析

1.1 管線斷裂形貌

塔河油田發(fā)生刺漏的伴生氣管道為φ273.0 mm×7.1 mm螺旋焊管，管線基礎數(shù)據(jù)見表1。刺漏點為焊管上的一條螺旋焊縫處，沿焊縫形成了一條長約800 mm的裂口。目前該管內輸送的介質為原油經油氣分離后的伴生氣。對管內輸送介質進行取樣檢測，結果如表2所示，由表2可知，失效管道輸送的伴生氣中硫化氫的含量高達10 949.2 mg/m3。

表1 伴生氣管線基礎數(shù)據(jù)表

表2 失效管道輸送的伴生氣氣體組成

發(fā)生失效的螺旋焊管上有一條長約800 mm沿螺旋焊縫邊緣(熱影響區(qū))擴展的裂紋(裂口)，該裂紋的中間最寬處有6～7 mm，裂紋兩側尾端分別終止于焊管的對接焊縫處和基體中。用氧-乙炔火焰將該焊管分割為4個部分(分別編號為1、2、3、4)，螺旋焊管被分解后的宏觀形貌見圖1。將焊管2、3部分上的裂紋切割下來，觀察其裂紋斷口可以看出斷口處未見明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征；初步判斷該螺旋焊管的破裂是從裂口中間最寬處開始的，并且是多源裂紋；裂紋一旦產生就迅速沿焊縫向兩側擴展，形成大而長的裂口[1]。

圖1 螺旋焊管被分解后的宏觀形貌

1.2 化學分析

從螺旋焊管的焊縫附近鋼管本體上取塊狀樣品，依據(jù)GB/T 16597-1996，使用熒光光譜儀等對其材質進行化學分析，結果見表3，由表3可知，該焊管材質為低碳鋼。常用管線鋼管的化學成分見表4。由化學分析可知焊管材質符合標準要求。

表3 失效管段的化學成分(質量分數(shù)) %

表4 常用管線化學成分 %

1.3 微觀形貌觀察

從螺旋焊管上，垂直于焊縫(裂口)切取金相樣品，經預磨、拋光后，用4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液腐刻，并在顯微鏡下觀察標記為A(包括焊縫)、B處的金相組織，金相分析取樣位置見圖2。圖2中A、B是螺旋焊管的裂紋斷口兩側。A處的A1區(qū)域是焊縫一側斷裂區(qū)，裂紋斷口在焊縫的熱影響區(qū)，A2是焊縫另一側未斷裂區(qū)。B處的B1區(qū)域是焊縫一側斷裂區(qū)，B2是焊縫另一側未斷裂區(qū)。

圖2 金相分析取樣位置

在裂口邊緣處的管壁上(螺旋焊管的基體上，不是焊縫中)可見許多長而尖的裂紋和魚眼氫致裂紋[2]，A1區(qū)域裂紋斷口處金相形貌見圖3。該部位的金相組織為鐵素體+少量珠光體，為等軸晶。在焊縫區(qū)域未觀察到裂紋的存在，A1區(qū)域焊縫處金相形貌見圖4。觀察A2區(qū)域發(fā)現(xiàn)在焊管的基體中看到少量細小的裂紋存在，A2區(qū)域基體金相形貌見圖5。

圖3 A1區(qū)域裂紋斷口處金相形貌

圖4 A1區(qū)域焊縫處金相形貌

圖5 A2區(qū)域基體金相形貌

B處的B1區(qū)域為裂紋斷口處，靠近斷口的管壁上有許多長而尖的裂紋和魚眼氫致裂紋，B1區(qū)域裂紋斷口處金相形貌見圖6。該部位的金相組織為鐵素體+少量珠光體。在B2區(qū)域可見魚眼氫致裂紋存在，B2區(qū)域基體金相形貌見圖7。

圖6 B1區(qū)域裂紋斷口處金相形貌

圖7 B2區(qū)域基體金相形貌

試樣的宏觀形貌見圖8。觀察螺旋焊管焊縫處的這條裂紋延伸到對接焊縫處的金相組織。在對接焊縫的有裂紋一側，裂紋附近存在大量的氫致裂紋，見圖9a；而在焊縫的另一側同樣有氫致裂紋存在，但數(shù)量少且尺寸小，見圖9b。

圖8 試樣的宏觀形貌

圖9 對接焊縫附近的金相形貌

螺旋焊管基體的金相取樣部位為圖1中的第1部分方框處和第2部分方框處。在離螺旋焊縫裂口比較近的部位(見圖10a)，焊管基體中的氫致裂紋數(shù)量和尺寸要比離螺旋焊縫裂口較遠的部位(見圖10b)多且大。焊管基體第1部分和第2部分的金相組織形貌見圖10。

圖10 焊管基體金相形貌

通過觀察與分析螺旋焊管上不同部位的金相組織，發(fā)現(xiàn)焊管的焊縫組織中未見明顯的氫致裂紋，而焊管的基體中或多或少、或大或小地普遍存在著氫致裂紋，尤其在裂口附近氫致裂紋的數(shù)量多且尺寸大，因此，焊管容易在該處發(fā)生開裂。

1.4 斷口產物分析

利用掃描電鏡(SEM)、能譜(EDS)分析、X射線衍射(XRD)分析對螺旋焊裂紋斷口處進行形貌觀察和測試分析。裂紋斷口表面的SEM形貌和EDS譜見圖11。由圖11可知，斷口上的S、O元素含量很高，Cl等元素含量較少。

圖11 裂紋斷口表面SEM形貌和EDS譜

裂紋斷口表面的XRD譜見圖12。結合圖12可知，產物主要為FeS、Fe和CaCO3。FeS的存在說明伴生氣中的H2S對管線發(fā)生開裂有明顯的腐蝕作用。

圖12 裂紋斷口表面的XRD譜

2 分析及討論

在石油開采過程中所產生的伴生氣，是溶解在原油中的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等氣體的混合物。以往對這些石油伴生氣的處理方式主要有2種：一種是將伴生氣再注入井內；另一種是將伴生氣放空燃燒掉[3]。目前塔河油田伴生氣通過集氣后外輸。塔河油田以奧陶系為主的中部、西部、北部稠油伴生氣中不同程度含有H2S，而且含量變化較大，以中部較低，西北部較高，介于70～12 000 mg/m3，縫洞型油藏產量波動以及含硫量的變化給伴生氣的集輸和處理帶來了困難。尤其是當伴生氣中的H2S含量很高時，會對其集輸管線產生嚴重的腐蝕破壞。

油氣中的H2S對管道的腐蝕破壞，主要包括氫致開裂(HIC)、硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)或應力腐蝕開裂(SCC)[4]。

對于油氣輸送管道中HIC的產生[5-10]，一般主要是H2S溶于水形成的溶液與管壁金屬通過電化學反應產生的氫原子通過金屬表面，深入管體內部，在金屬內部缺陷(非金屬夾雜、元素偏析、帶狀組織等)處聚集結合成氫分子，氫分子體積增大20倍而產生巨大的內應力所致。當氫濃度很高時，顯微缺陷處的氫壓力會超過材料的抗拉強度，因而形成氫致裂紋，當管材存在較大的殘余拉應力時，將會加劇HIC的形成。HIC主要發(fā)生在低、中強度鋼種上。

而SSCC與在金屬表面因酸性腐蝕所產生的原子氫引起的氫脆有關，硫化物存在時，氫的吸收加速，原子氫在金屬內部的缺陷處聚集，從而降低了金屬的韌性，增加了裂紋敏感性，在外加拉應力作用下，使金屬管道容易發(fā)生開裂破壞。因此，當油氣中有H2S存在，并達到一定含量后時，油氣管線可能會發(fā)生HIC、SSCC。本工作討論的伴生氣管線輸送高含硫化氫的濕氣，且在開裂處腐蝕產物中檢測到FeS，結合開裂處長而尖的裂紋和魚眼氫致裂紋的形貌，分析認為該管線的開裂既有HIC、又有SSCC的作用。造成該管線HIC、SSCC的因素是多方面的，主要和管線內石油伴生氣中的H2S含量、溫度、管線材質及焊接應力等因素有關。當輸送的天然氣中H2S的濃度<20 mg/m3時，管線是安全的。但通常管輸天然氣中H2S的含量都偏高，最高可達400～500 mg/m3，這時當管線內有濕氣或水存在時，管線就容易發(fā)生HIC和SSCC[11]。本工作中，伴生氣中硫化氫的含量高達10 949.2 mg/m3，這樣，該管線必然會受到H2S的嚴重腐蝕。在該管線斷口附近的管壁組織中看到的眾多細長裂紋和魚眼裂紋就是HIC的典型特征；而斷口上很高的S元素含量和解理脆性斷裂形貌，表明該管線焊縫區(qū)域發(fā)生了SSCC。

環(huán)境溫度對管線發(fā)生HIC和SSCC也有很大的影響。有研究[9]表明，在30 ℃附近，氫的吸附和擴散的加和作用最大，即發(fā)生HIC的可能性最大；而且碳鋼和低合金鋼在20～40 ℃范圍內對SSCC的敏感性也最大。本工作討論的油田伴生氣的溫度為30 ℃左右，處于管道發(fā)生HIC和SSCC最為敏感的溫度范圍內。

另外，伴生氣中少量CO2和水及水中Cl-的存在，也會對H2S的HIC和SSCC產生附加的作用。CO2溶于水中形成碳酸，釋放出氫離子，降低了環(huán)境的pH值,增大了氫的滲透率，因此增加了管道對HIC和SSCC的敏感性；Cl-在pH值為3.5～4.5的范圍內時，可使腐蝕速度加快，HIC和SSCC敏感性隨之加大)。

伴生氣管線在螺旋焊縫處的開裂與該處存在較大的殘余應力有關。螺旋埋弧焊接鋼管在生產過程中不可避免地要產生成型應力，而且這種應力會以殘余應力的形式存在于鋼管之中，尤其是在鋼管的焊縫及熱影響區(qū)附近會存在較高的成型和焊接殘余應力，且在其內表面表現(xiàn)為高的殘余拉應力，再加上和焊縫焊接凸起等缺陷導致的附加彎曲拉應力與內壓產生的薄膜應力相疊加，加劇了該部位的應力集中，在H2S等腐蝕介質的作用下，該處最容易發(fā)生SSCC。

3 結論與建議

(1)伴生氣管線的材質為低碳鋼；管材成分符合標準規(guī)定；管線螺旋焊縫和基體組織未見明顯的異常。

(2)焊管的焊縫組織中未見明顯的氫致裂紋，伴生氣管線的螺旋鋼管基體中，受到了管內伴生氣中硫化氫的腐蝕，均產生了不同程度的氫致裂紋；尤其是在螺旋鋼管破口處，氫致裂紋的數(shù)量多且尺寸大。

(3)伴生氣管線斷口產物含有較高的S元素，管線內伴生氣中高含量的H2S引起的氫致開裂(HIC)和硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)共同作用導致管線發(fā)生開裂，裂紋起源于破口的中部即最寬處位置。

(4)建議通過降低伴生氣中的H2S含量和水分以防止管線發(fā)生氫致開裂(HIC)和硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)。