某采氣廠集氣管道環(huán)焊縫開裂原因分析*

王登海,邱 鵬,盧鵬飛,胡 濤,李彥鵬,馮文昊,呂乃欣,付安慶,劉君林

(1.中國石油長慶油田公司 陜西 西安 710018; 2.長慶工程設(shè)計有限公司 陜西 西安 710018; 3.中國石油集團工程材料研究院有限公司,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077; 4.陜西九州石油工程技術(shù)服務(wù)有限責任公司 陜西 西安 710075; 5.中國石油天然氣股份公司青海油田分公司鉆采工藝研究院 甘肅 敦煌 736202)

0 引 言

采用管道輸送天然氣是最快捷、安全和低費用的運輸方式[1-3]。但是,隨著管道服役時間的延長,輸送的介質(zhì)中含有未完全去除的氣田水等成分,容易在管道中形成電化學腐蝕環(huán)境,從而誘發(fā)管道內(nèi)壁發(fā)生嚴重的腐蝕[4]。集輸管道中環(huán)焊縫處發(fā)生的腐蝕不僅與管道輸送介質(zhì)有關(guān),還與焊接工藝、焊縫結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力等因素有關(guān)[5-8]。因此環(huán)焊縫成為整條管線服役過程中薄弱環(huán)節(jié)。楊坤等采用力學性能、無損檢測技術(shù)以及微觀表征等表征方法[9],分析了L360QS管道的環(huán)焊縫泄漏因素,結(jié)果表明環(huán)焊縫泄漏主要由H2S應(yīng)力腐蝕開裂造成。劉奎榮等探究了某X65輸氣管道環(huán)焊縫泄漏失效問題[10],其研究結(jié)果表明在外力與內(nèi)壓作用下,焊縫夾渣處裂紋相互貫穿形成穿透性裂紋,裂紋由內(nèi)表面逐漸向外表面擴展,從而導(dǎo)致裂紋開裂發(fā)生泄漏。李麗鋒等通過理化分析、斷口、金相與載荷分析等技術(shù)對環(huán)焊縫開裂原因進行分析后指出[11],在由溫度變化產(chǎn)生的軸向拉伸應(yīng)力及焊縫殘余應(yīng)力共同作用下,焊縫根部區(qū)域未熔合,同時存在夾渣缺陷從而形成了脆性擴展,最后導(dǎo)致管線環(huán)焊縫出現(xiàn)了開裂。而殷名學等人的研究表明由于化學成分和微觀結(jié)構(gòu)存在差異[12],造成焊縫與鋼管母材金屬在濕流體介質(zhì)中形成了電位差,導(dǎo)致氣田碳鋼管道焊接區(qū)域發(fā)生嚴重腐蝕。

某集氣管道環(huán)焊縫在使用中發(fā)生了開裂失效,對開裂失效管道環(huán)焊縫樣品進行了裂紋斷口分析和材料理化性能分析,并根據(jù)其服役時的現(xiàn)場情況確定了環(huán)焊縫開裂失效的原因。

1 開裂失效情況

某油田天然氣集輸管道的長度為16.6 km,該管道所用鋼管為Φ406.4 mm×8/8.8 mm L360QCS無縫鋼管,管道中輸送的物質(zhì)為含硫天然氣。該管道初始設(shè)計壓力為6.3 MPa,平均運行壓力為5.27 MPa,硫化氫平均含量約2 240 mg/m3。因某站外管道臨時道路施工,管道埋地深度為管道上表面距地面0.4 m,路面有載重車輛通行。該管道運行2 a后,在距該站外約3 m處Φ406.4 mm×8.8 mm L360QCS無縫鋼管與L360MCS熱煨彎管對接部位的環(huán)焊縫發(fā)生泄漏。管線泄漏時該支線運行壓力為5.32 MPa,天然氣流量為25×104m3/d,輸送介質(zhì)溫度為23 ℃,通過天然氣為外輸濕氣,現(xiàn)場檢測的硫化氫含量約為2 184 mg/m3。

2 裂紋宏觀分析

2.1 宏觀形貌與尺寸測量

對環(huán)焊縫開裂失效部位進行宏觀形貌觀察與壁厚尺寸測量,宏觀形貌如圖1所示,壁厚尺寸測量結(jié)果見表1。由圖1(b)可知,開裂失效環(huán)焊縫內(nèi)表面靠近焊縫內(nèi)側(cè)熱煨彎管熔合線位置處的壁厚出現(xiàn)了減薄現(xiàn)象,同時在內(nèi)壁焊縫部位熔合區(qū)域存在腐蝕痕跡。圖1(c)為環(huán)焊縫裂紋斷口宏觀形貌,從圖1(c)可以看出,焊縫兩側(cè)區(qū)域為黑褐色,斷口中部區(qū)域有嚴重銹蝕痕跡。斷口面無明顯塑性變形。裂紋表面靠內(nèi)表面?zhèn)葹槠教剐蚊?中部為粗糙形貌。由于環(huán)焊縫內(nèi)表面的裂紋長度大于外表面的裂紋長度,因而裂紋起源環(huán)焊縫內(nèi)表面,并且其裂紋表面為脆性斷口特征。由表1的測量結(jié)果可知,環(huán)焊縫部位的壁厚值小于無縫鋼管的壁厚值,其中較小的環(huán)焊縫的壁厚值約為6.12 mm,低于無縫鋼管名義壁厚值(8.8 mm)。

表1 壁厚測量結(jié)果 mm

圖1 環(huán)焊縫樣品宏觀形貌與斷口宏觀形貌

2.2 X射線無損檢測

用XXQ2505射線探傷儀對開裂失效的環(huán)焊縫部位進行探傷檢測,結(jié)果如圖2所示。從圖2可見,環(huán)焊縫部位有長度約為175 mm的裂紋。

圖2 環(huán)焊縫部位X射線探傷顯示的裂紋形貌

3 理化性能分析

3.1 化學成分分析

依據(jù)ASTMA751-14標準,用ARL4460直讀光譜儀對無縫鋼管管體與熱煨彎管管體進行化學成分分析,結(jié)果見表2。從表2可見,無縫鋼管管體與熱煨彎管管體的化學成分分別符合GB/T 9711—2017和SY/T 5257—2012標準的要求。

表2 化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

3.2 環(huán)焊縫拉伸性能試驗

在開裂環(huán)焊縫上取拉伸試樣,依據(jù)GB/T 228.1—2010標準進行室溫拉伸試驗,拉伸試驗結(jié)果見表3。從表3可見,開裂環(huán)焊縫的拉伸性能符合標準GB/T 9711—2017標準的要求。

表3 環(huán)焊縫拉伸實驗結(jié)果

3.3 環(huán)焊縫沖擊性能試驗

在開裂環(huán)焊縫上取沖擊試樣,依據(jù)GB/T 229—2007標準對其環(huán)焊縫進行夏比沖擊試驗,結(jié)果見表4。從表4可見,開裂環(huán)焊縫的夏比沖擊試驗結(jié)果符合GB/T 9711—2017和SY/T 4103—2006標準的要求。

表4 夏比沖擊試驗結(jié)果

3.4 環(huán)焊縫硬度試驗

根據(jù)GB/T 4340.1—2009標準的要求,分別對開裂環(huán)焊縫的焊縫、母材和熱影響區(qū)進行硬度試驗,測試點分布如圖3所示,硬度試驗結(jié)果見表5。從表5可見,焊縫區(qū)域的硬度值為173HV10～218HV10,母材區(qū)域的硬度值為177HV10～205HV10,熱影響區(qū)的硬度值為159HV10～174HV10,根據(jù)GB/T 9711—2017和SY/T 4103—2006標準的要求,鋼管母材和焊縫最大允許硬度值為250HV10,因此鋼管母材及焊縫硬度值均符合上述標準的要求。

表5 鋼管母材、焊縫和熱影響區(qū)硬度(HV10)測試結(jié)果

圖3 對接環(huán)焊縫硬度測試點分布示意圖

3.5 金相組織分析

在管道環(huán)焊縫開裂部位取樣,依據(jù)GB/T 13298—2015、ASTM E45—2005和ASTM E112-1196標準進行金相組織分析,結(jié)果如圖4所示。從圖4可見,環(huán)焊縫斷裂位置在其內(nèi)側(cè)熔合區(qū)域,且斷口處組織主要為貝氏體顆粒(B粒)+多邊形鐵素體(PF)+珠光體(P)。

圖4 環(huán)焊縫開裂斷口截面宏觀形貌和金相組織

在管道環(huán)焊縫未開裂部位取樣進行金相試驗,結(jié)果如圖5所示。從圖5可見,外焊縫金相組織主要為針狀鐵素體(IAF)+多邊形鐵素體(PF)+貝氏體顆粒(B粒)+珠光體(P)+魏氏體組織(WF),內(nèi)焊縫與熔合區(qū)均為貝氏體顆粒(B粒)+多邊形鐵素體(PF)+珠光體(P),細晶區(qū)主要為多邊形鐵素體(PF)+珠光體(P)。

圖5 未開裂環(huán)焊縫部位的橫截面宏觀形貌和金相組織

3.6 微觀形貌分析

將圖2所示的裂紋壓裂,用掃描電鏡分析裂紋表面的微觀形貌,結(jié)果如圖6所示。從圖6可見,裂紋源區(qū)內(nèi)側(cè)低倍下有放射狀形貌,且放射狀形貌收斂于環(huán)焊縫內(nèi)表面,另外在裂紋源區(qū)存在焊接缺欠。裂紋擴展區(qū)表面存在腐蝕坑,且該區(qū)域微觀形貌呈現(xiàn)“冰糖狀”沿晶脆性斷口形貌,該斷口形貌符合應(yīng)力腐蝕開裂特征[13]。

圖6 裂紋源區(qū)和擴展區(qū)微觀形貌

圖7為1#試樣裂紋源區(qū)和擴展區(qū)域能譜分析結(jié)果。從圖7(b)可見,裂紋起源區(qū)主要元素為C、O、S、K、Mn和Fe,其中O和Fe元素的質(zhì)量分數(shù)分別為26.52%和54.42%,由此可判斷其表面附著的物質(zhì)為氧化腐蝕產(chǎn)物,且在腐蝕產(chǎn)物表面含有較高的S元素,其質(zhì)量分數(shù)為3.68%。從圖7(c)可見,裂紋擴展區(qū)主要元素為C、O、S、K和Fe,其中S和Fe元素的質(zhì)量分數(shù)分別為22.96%和48.27%,由此可判斷其表面附著的物質(zhì)為硫化物腐蝕產(chǎn)物,因此可推斷在其斷口上存在大量的FeS腐蝕產(chǎn)物。

圖7 1#試樣裂紋源區(qū)和擴展區(qū)微觀形貌和能譜分析結(jié)果

圖8為3#試樣源區(qū)和擴展區(qū)微觀形貌和能譜分析結(jié)果。從圖8(b)可見,裂紋源區(qū)的腐蝕產(chǎn)物主要由C、O、S和Fe元素組成,其中S和Fe元素的質(zhì)量分數(shù)分別為25.77%和59.61%。從圖8(c)可見,裂紋擴展區(qū)腐蝕產(chǎn)物主要由C、O、S、K和Fe元素組成,其中S和Fe的質(zhì)量分數(shù)分別為26.24%和53.63%,由此可知環(huán)焊縫裂紋表面存在H2S腐蝕產(chǎn)物。

圖8 3#試樣源區(qū)和擴展區(qū)微觀形貌和能譜分析結(jié)果

4 開裂原因綜合分析

根據(jù)以上試驗結(jié)果,與開裂環(huán)焊縫連接的鋼管管體材料的化學成分、環(huán)焊縫拉伸、沖擊和硬度試驗結(jié)果均符合GB/T 9711—2017、SY/T 5257—2012和SY/T 4103—2006標準的要求。從無損探傷、裂紋宏觀形貌、裂紋表面微觀形貌及裂紋表面能譜分析結(jié)果可知,開裂失效環(huán)焊縫中的裂紋起源于環(huán)焊縫靠近彎管側(cè)的熔合線位置,沿焊縫擴展至環(huán)焊縫表面,且環(huán)焊縫中的裂紋具有典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。

現(xiàn)場管道輸送的介質(zhì)為濕硫化氫天然氣,通過現(xiàn)場檢測硫化氫含量約為2 184 mg/m3,管線內(nèi)溫度為23 ℃,鋼管和環(huán)焊縫材料在該環(huán)境下容易發(fā)生硫化物腐蝕開裂。環(huán)焊縫彎管內(nèi)側(cè)存在結(jié)構(gòu)突變,沿環(huán)焊縫彎管內(nèi)側(cè)熔合線處的環(huán)焊縫壁厚小于彎管的壁厚,測量的最小的環(huán)焊縫壁厚為6.12 mm,而鋼管的名義壁厚為8.8 mm。另外,在開裂失效樣品環(huán)焊縫靠近彎管內(nèi)側(cè)還發(fā)現(xiàn)了焊接缺欠,該缺欠進一步增加了彎管內(nèi)側(cè)熔合線位置的環(huán)焊縫部位的應(yīng)力集中程度。根據(jù)現(xiàn)場服役參數(shù)與環(huán)境工況,該管道服役時的壓力約為5.32 MPa。根據(jù)現(xiàn)場施工要求以及該工程投產(chǎn)運行后,因某站道路施工,將原有管道埋深減小為管道上表面僅距地面0.4 m,低于該集氣支線對管道設(shè)計埋深1.7 m(管底)、土路和砂石路穿越處埋深不小于1.8 m(管底)的工程規(guī)定要求,并且管道在發(fā)生開裂前該路段還多次受載重車輛碾壓,受到了額外的外壓載荷。管線在服役時的內(nèi)壓不僅給管道施加了周向拉伸載荷,也會存在軸向拉伸載荷。由開裂裂紋斷口形貌可知,環(huán)焊縫開裂屬于脆性開裂,且根據(jù)腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果,腐蝕產(chǎn)物中含有大量的S元素,因此環(huán)焊縫開裂屬于硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。

環(huán)焊縫開裂失效的管道符合應(yīng)力腐蝕斷裂失效發(fā)生的3個條件即材料、應(yīng)力以及腐蝕環(huán)境。由于環(huán)焊縫的焊趾部位屬于集氣管道中的薄弱部位,且管道環(huán)焊縫在內(nèi)壓和外壓(附加外壓載荷)的綜合作用下,在環(huán)焊縫的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生了裂紋。管道輸送的介質(zhì)為含有較高濃度的濕H2S天然氣,H2S易于溶于水,易于在水中發(fā)生電離,主要電離方程式如下:

H2S→H++HS-

(1)

HS-→H++S2-

(2)

Fe在含濕H2S天然氣環(huán)境中易發(fā)生下述反應(yīng):

Fe→Fe2++2e

(3)

Fe2++S2-→FeS

(4)

由于H-離子吸收鐵原子放出的電子而轉(zhuǎn)變成氫原子,而反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子,一部分會結(jié)合形成氫氣從表面溢出,另一部分通過擴散方式進入金屬材料內(nèi)部,在其萌生裂紋處聚集并使材料發(fā)生脆化,從而減小了裂紋擴展的阻力,使裂紋逐漸擴展,最終發(fā)生了開裂。

綜上所述,環(huán)焊縫開裂失效管道承受了內(nèi)壓和外壓載荷,管道內(nèi)輸送的介質(zhì)為含有濕H2S氣體的天然氣,因此該管道環(huán)焊縫發(fā)生了硫化物應(yīng)力腐蝕,在環(huán)焊縫焊接缺欠和焊趾的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生了裂紋,該裂紋在管道服役過程中逐漸擴展,最終穿透環(huán)焊縫部位的管壁而開裂。

5 結(jié) 論

1)與開裂環(huán)焊縫連接的鋼管管體材料的化學成分、環(huán)焊縫拉伸、沖擊和硬度試驗結(jié)果均符合GB/T 9711—2017、SY/T 5257—2012和SY/T 4103—2006標準的要求。

2)環(huán)焊縫開裂失效管道由于承受了內(nèi)壓和外壓載荷,管道內(nèi)輸送的介質(zhì)為含有濕H2S氣體的天然氣,因此該管道環(huán)焊縫發(fā)生了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。