某站外輸油管線彎管開裂失效的原因

許艷艷　劉青山　溫寧華　葛鵬莉　肖雯雯　王毛毛

0 引言

隨著生產(chǎn)時間的延長，服役環(huán)境的變化，塔河油田集輸管線在生產(chǎn)運行過程中發(fā)生了不同程度的失效，主要腐蝕失效類型為穿孔和開裂。塔河油田管線服役環(huán)境復(fù)雜，輸送介質(zhì)中二氧化碳含量和硫化氫含量較高，產(chǎn)出水礦化度高、氯離子含量高、pH較低，因此管線服役環(huán)境具有較高腐蝕性。同時管線運行過程中產(chǎn)量、溫度和壓力等變化會導(dǎo)致管線受力發(fā)生變化，增大了管線失效風(fēng)險。

塔河油田某站外輸油管線彎管在2020年11月2日發(fā)生了刺漏。該管線于2010年9月16日投產(chǎn)，管道總長4.28 km， 運行溫度為50 ℃，運行壓力為1.6 MPa， 管內(nèi)介質(zhì)中硫化氫含量為50 000 mg/m3。該管線的管材為20號碳鋼，規(guī)格為?257 mm×7.1 mm， 無內(nèi)防腐蝕層，外防腐蝕層為黃夾克。為明確彎管開裂原因，作者對彎管開裂段的腐蝕形貌、腐蝕產(chǎn)物成分、材料力學(xué)性能等進(jìn)行觀察和測試。

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 宏觀腐蝕形貌觀察

對失效彎管表面進(jìn)行宏觀觀察，并拍照記錄。由圖1可見，管道內(nèi)表面有明顯腐蝕現(xiàn)象，且有污垢附著。

去除外防腐蝕層后，失效彎管外壁的腐蝕形貌如圖2所示。由圖2可見，失效彎管外弧側(cè)表面腐蝕比較嚴(yán)重，多處腐蝕坑深度超過1 mm， 最深達(dá)到1.32 mm； 在彎管外弧側(cè)彎曲幅度最大的位置有一橫向貫穿性裂紋，裂紋長度達(dá)340 mm。對管道剩余壁厚進(jìn)行測量。測量結(jié)果表明，管壁厚度不均勻，最薄處為7.26 mm， 最厚處為8.84 mm。

以下分析均從彎管開裂位置附近取樣，取樣位置編號如圖3所示。所有試樣均采用超聲波清洗，去除試樣表面油污。

1.2 顯微組織觀察

從彎管開裂位置取金相試樣，試樣尺寸為30 mm×30 mm×原壁厚。采用尼康金相顯微鏡，依據(jù)GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》標(biāo)準(zhǔn)分析集輸管道組織，結(jié)果如圖4所示。

該集輸管道材質(zhì)為20號低碳鋼，通常使用狀態(tài)為正火，正常顯微組織為鐵素體+珠光體。由圖4可見，失效彎管的組織為貝氏體和馬氏體，且有上貝氏體存在。上貝氏體組織脆性、硬度較高，對材料極為不利；貝氏體和馬氏體的存在同樣會影響了材料的硬度，增大了其開裂敏感性。

采用掃描電鏡對試樣組織夾雜進(jìn)行觀察。發(fā)現(xiàn)6個試樣組織內(nèi)均含有少量夾雜物，但在6號樣中觀察到微裂紋的存在，如圖5所示。由于組織中上貝氏體的性能非常差，其脆性、硬度較高，在夾雜物附近容易出現(xiàn)比較高的應(yīng)力集中，管材極易在這些缺陷處萌生裂紋，在管線生產(chǎn)運行過程中綜合應(yīng)力的作用下，裂紋會進(jìn)一步擴(kuò)展最終導(dǎo)致管線開裂。

1.3 力學(xué)性能測試

1.3.1 硬度

利用SCHV-3.0型顯微硬度測試儀，依據(jù)ASME E384-11e1《材料的努氏和維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》對現(xiàn)場彎管試樣（隨機(jī)選3個點）進(jìn)行硬度測試。測試結(jié)果表明：失效彎管3個測試點的硬度分別為37.3、38.3、39.4 HRC，平均值為38.3 HRC。20號碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)硬度為30～35 HRC，因此失效彎管的硬度偏高，這說明材料中的馬氏體和貝氏體組織提高了管材的硬度。

1.3.2 拉伸性能

參照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中附錄E，從失效彎管直管段截取拉伸試樣。然后利用WDML-50KN型拉伸試驗機(jī)，依據(jù)ASTM A370-2013《鋼制品機(jī)械測試的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和定義》對試樣進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果見表1。

由表1可見，根據(jù)GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對20號鋼力學(xué)性能的規(guī)定，該失效彎管的強(qiáng)度基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷后伸長率和斷面收縮率低于標(biāo)準(zhǔn)，這可能是因為組織中出現(xiàn)了上貝氏體及馬氏體等非平衡組織。

另外對拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，拉伸斷口呈韌性斷裂和脆性斷裂并存的特征。

1.3.3 殘余應(yīng)力

利用μ-X360n型殘余應(yīng)力測試設(shè)備對失效彎管（5號和6號樣）表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。測試結(jié)果表明：5號樣殘余應(yīng)力為242 MPa， 6號樣殘余應(yīng)力為215 MPa。一般情況下，認(rèn)為小于100 MPa的殘余應(yīng)力對管材無明顯影響。但是測試結(jié)果表明，失效彎管的殘余應(yīng)力都遠(yuǎn)大于100 MPa， 因此材料存在較大的殘余應(yīng)力，容易發(fā)生開裂。

1.4 腐蝕產(chǎn)物分析

從開裂位置附近管道內(nèi)壁收集腐蝕產(chǎn)物，利用D8 Advance X射線衍射儀（XRD）對腐蝕產(chǎn)物的物相組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要為FeS，F(xiàn)eCO3和鐵的氧化物。FeS的存在說明硫化氫參與了腐蝕。鐵的氧化物可能是在開挖及運輸過程中管線暴露在空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的。

1.5 微觀形貌觀察

在開裂位置附近取樣，由于1、2、3、5號樣取自裂紋處，故切割后裂為兩塊，其斷面即為斷口。用LEO-1450型掃描電子顯微鏡（SEM）對斷口表面腐蝕產(chǎn)物形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8所示。采用League 2000能譜儀（EDS） 對斷口上的腐蝕產(chǎn)物的組成元素進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，斷口上分布著硫化物及氧化物等腐蝕產(chǎn)物。

圖9為2號樣斷口截面形貌。由圖9可見，試樣中存在由斷口向內(nèi)部擴(kuò)展的裂紋，裂紋沿晶擴(kuò)展，在主裂紋旁邊伴隨二次裂紋產(chǎn)生，這種裂紋形態(tài)具有明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特點。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在彎管內(nèi)壁上也出現(xiàn)了顯微裂紋，如圖10（a）所示。對內(nèi)壁進(jìn)行能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁覆蓋著大量的硫化物及氧化物，腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe、S、O、C等元素，如圖10（b）所示。在管道生產(chǎn)運行過程中，管內(nèi)介質(zhì)中的H2S含量較高，平均含量為50 000 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了NACE規(guī)定的臨界值50 μg/L，管道具有發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險。

2 腐蝕原因分析

失效彎管的組織和力學(xué)性能檢測結(jié)果表明，管道加工過程因為工藝控制不當(dāng)，材料中產(chǎn)生了非正常組織上貝氏體、貝氏體和馬氏體，導(dǎo)致材料塑性韌性下降，同時管材中還存在部分非金屬夾雜物、微裂紋及較高的殘余應(yīng)力，管材極易在這些缺陷處萌生裂紋。另外，在彎管曲率半徑最小的部位，管材所受的應(yīng)力最大，管材的開裂敏感性升高。

該彎管產(chǎn)生裂紋的原因為應(yīng)力腐蝕開裂。管材中的上貝氏體和馬氏體組織及非金屬夾雜物是裂紋產(chǎn)生的直接內(nèi)因，而H2S環(huán)境是造成開裂的外因。彎管發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理如下：H2S首先在水溶液中發(fā)生解離，見式（1）；解離產(chǎn)生的HS-與鋼基體發(fā)生腐蝕陽極反應(yīng)，見式（2），陰極反應(yīng)見式（3）。

從裂紋形貌可以看出，該裂紋具有應(yīng)力腐蝕開裂的特征。輸油管線中硫化氫含量遠(yuǎn)超過硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的臨界值；同時在介質(zhì)運輸過程中含有較多的水，硫化氫和水同時出現(xiàn)，在管線內(nèi)部形成了液態(tài)H2S環(huán)境，含H2S的水為管道腐蝕提供介質(zhì)條件。管道在服役過程中，彎管外弧受拉應(yīng)力，內(nèi)弧受壓應(yīng)力，金屬的陽極溶解反應(yīng)生成的氫會侵入管材內(nèi)部，然后從管道內(nèi)表面向拉應(yīng)力比較大的外壁遷移，從而在管道外表面產(chǎn)生微小的氫脆裂紋，在局部引起應(yīng)力集中，加速裂紋的擴(kuò)展，即在彎管外側(cè)表面出現(xiàn)裂紋起源；同時管道在運行過程中，受運行壓力及內(nèi)應(yīng)力的綜合作用，在內(nèi)部非正常組織，夾雜物處也產(chǎn)生微裂紋，在應(yīng)力持續(xù)作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋不斷擴(kuò)展連通，剩余管壁不足以支持其所受應(yīng)力時，管道破裂，出現(xiàn)刺漏事故。

3 結(jié)論與建議

（1） 輸油管線彎管材料組織不正常，存在上貝氏體、貝氏體和馬氏體組織，導(dǎo)致材料強(qiáng)度、硬度偏高，塑性韌性偏低；同時，材料中存在部分非金屬夾雜物和較高的殘余應(yīng)力，使彎管開裂敏感性升高。

（2） 管線運輸環(huán)境中硫化氫含量較高，受硫化氫腐蝕環(huán)境影響，彎管開裂，氫進(jìn)入鋼中加速了裂紋的擴(kuò)展。同時在綜合應(yīng)力作用下，彎管在非金屬夾雜物處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生；多個裂紋擴(kuò)展連通后形成宏觀裂紋，最終穿透斷裂。

（3） 建議控制管道加工成型工藝，減少夾雜物，避免不正常組織的產(chǎn)生；加強(qiáng)來料檢驗，發(fā)現(xiàn)問題及時更換；安裝前進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理；加強(qiáng)匯管、彎管等應(yīng)力集中部位材料的應(yīng)力腐蝕監(jiān)測。

本文摘自《腐蝕與防護(hù)》2023年第8期