天然氣管道失效分析

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(1. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610100； 2. 鋼鐵研究總院，北京 100081)

失效分析

天然氣管道失效分析

馬亞鑫1,門正興1,岳太文1,劉明2

(1. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610100； 2. 鋼鐵研究總院，北京 100081)

對漏氣天然氣管道進行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測、金相分析，并對漏點處的宏、微觀腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物成分進行了分析。結(jié)果表明：失效鋼管內(nèi)壁漏點處發(fā)生了嚴重的腐蝕，失效形式主要為點蝕穿孔，這是介質(zhì)環(huán)境中的氯離子和微生物共同作用的結(jié)果。

天然氣管道；X60管線鋼；腐蝕；點蝕失效

管道輸送天然氣具有安全、無污染、損耗少、成本低等優(yōu)勢，然而天然氣管線在運行中會不斷受到腐蝕及外力作用，這會對管道造成損傷，隨著運行時間的延長，管道狀況逐漸惡化[1-5]。

對鋪設(shè)完成的某天然氣管線的支線管道進行密閉試驗，發(fā)現(xiàn)位于水溝附近的管段發(fā)生了漏氣現(xiàn)象。該管道由X60管線鋼焊接而成。本工作對發(fā)生漏氣的管道進行了化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織及非金屬夾雜物等分析，并對漏點處的宏、微觀形貌進行了分析，確定漏點產(chǎn)生的原因。

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

從失效鋼管上遠離焊縫的母材處取樣，并進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

由表1可見，失效鋼管的化學(xué)成分滿足GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標準中對X60管線鋼化學(xué)成分的要求。

1.2 力學(xué)性能測試

在失效鋼管的母材上沿環(huán)向制取3個全壁厚矩形板狀拉伸試樣和3個5 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣，對上述試樣進行室溫拉伸試驗和-5 ℃夏比沖擊試驗，結(jié)果見表2和表3。

由表2和表3可見，試樣1的斷后伸長率略低于GB/T 9711-2011標準中對X60管線鋼標準要求的下限，其余均符合標準要求?？紤]到試樣表面粗糙會影響材料塑性變形的能力，因此認為鋼管母材的力學(xué)性能基本滿足標準要求。

1.3 金相分析

對失效鋼管的母材進行金相分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，該失效鋼管的組織為鐵素體+珠光體，且在組織中可見明顯的帶狀組織，這是由于加工變形后，材料中的夾雜物呈流線分布引起的。失效鋼管中夾雜物的形貌如圖2所示，評級結(jié)果見表4。由表4可見，失效鋼管中的夾雜物級別不高，主要為氧化物和硫化物類非金屬夾雜物。金相分析結(jié)果表明，失效鋼管的組織為正常的X60管線鋼組織，沒有出現(xiàn)材料缺陷。

表1 失效鋼管的化學(xué)成分及標準(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1 Chemical composition of the failure steel pipe and standard (mass) %

表2 失效鋼管的拉伸試驗結(jié)果Tab. 2 Results of tensile testing for failure steel pipe

表3 失效鋼管在-5 ℃下的沖擊性能Tab. 3 Results of Charpy impact testing at -5 ℃ for failure steel pipe

(a) 低倍

(b) 高倍圖1 失效鋼管的顯微組織Fig. 1 Microstructure of the failure steel pipe: (a) low magnification; (b) high magnification

圖2 失效鋼管中夾雜物形貌Fig. 2 Morphology of inclusions in the failure steel pipe

表4 失效鋼管中夾雜物評級結(jié)果Tab. 4 Rating results of inclusions in the failure steel pipe

1.4 腐蝕形貌及產(chǎn)物

1.4.1 宏觀腐蝕形貌

對失效管道進行宏觀檢驗(圖略)，結(jié)果表明：在漏點周圍的管道上存在多處鼓包，鼓包大部分集中在鋼管底部，分布位置與焊縫沒有明顯關(guān)系；鋼管內(nèi)表面整體發(fā)生了嚴重的腐蝕，多處氧化皮發(fā)生大面積剝落，中部可見明顯的點蝕坑，其中漏點所處的鋼管底部區(qū)域銹蝕最為嚴重，并有明顯的帶狀腐蝕銹跡，說明管底部所處環(huán)境最為惡劣，放置期間底部有積水現(xiàn)象；去除外表面黑色防腐蝕涂層后，可見漏點周圍淺藍色的防腐蝕漆層已經(jīng)剝落，裸露的管壁上粘附了很厚的腐蝕產(chǎn)物，而在防腐蝕漆層未脫落的區(qū)域沒有觀察到明顯的銹蝕現(xiàn)象。

1.4.2 微觀腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物

用JSM-3500N型掃描電鏡(SEM)觀察失效鋼管漏點處內(nèi)壁的微觀腐蝕形貌，并用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)分析該區(qū)域的微區(qū)化學(xué)成分，結(jié)果如圖3和表5所示。

(a) 清除前，低倍 (b) 清除前，高倍

(c) 清除后，低倍 (d) 清除后，高倍圖3 腐蝕產(chǎn)物清除前后失效鋼管漏點處內(nèi)壁表面的微觀腐蝕形貌及EDS測試點Fig. 3 Micro-morphology of corroded surface of inner wall near the leak for failure steel pipe before (a, b) and after (c, d) removal of corrosion products at low (a, c) and high (b, d) magnifications and test points for EDS

測試點FeOSCl其他142.154.3--3.6238.251.53.28.31.2341.551.74.1-2.7440.356.2--3.5

由圖3可見：在去除表面腐蝕產(chǎn)物前，漏點處的腐蝕坑呈橢圓形；去除表層腐蝕產(chǎn)物后，測量得該腐蝕坑長約1 mm，寬約2 mm，腐蝕坑左側(cè)和下方均發(fā)生了明顯的腐蝕。

由表5可見：腐蝕坑外部腐蝕產(chǎn)物(測試點2)主要由Fe和O元素組成，另外還檢測到了Cl和S兩種腐蝕性元素，但這兩種元素分布不均勻，存在局部富集現(xiàn)象；腐蝕坑內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物(測試點3)也主要由Fe和O元素組成，且腐蝕性元素只檢測到S，Cl元素幾乎檢測不到。

另外，用XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)測腐蝕產(chǎn)物的相組成(圖略)。結(jié)果表明：腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3、FeOH和FeS組成，它們的質(zhì)量分數(shù)分別為65.2%，17.3%，17.4%。XRD分析結(jié)果與EDS的分析結(jié)果基本一致。

用JSM-3500N型掃描電鏡(SEM)觀察失效鋼管漏點處外壁表面、截面的微觀腐蝕形貌，并對該區(qū)域的微區(qū)化學(xué)成分進行EDS分析，結(jié)果如圖4，5和表6所示。

圖4 失效鋼管漏點處外壁表面的微觀腐蝕形貌及EDS測試點Fig. 4 Micro-morphology of corroded surface of outer wall near the leak for failure steel pipe and test points for EDS

由圖4可見：漏點處腐蝕點與內(nèi)壁腐蝕點貫通，腐蝕坑近似呈圓形，直徑約為0.5 mm。EDS分析結(jié)果(見表6)表明：漏點周圍的腐蝕產(chǎn)物(測試點5)中含有較高的Cl和S等腐蝕性元素，內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物(測試點6)主要以氧化物為主。

(a) 全貌圖 (b) ①處局部放大圖

(c) ②處局部放大圖 (d) ③處局部放大圖圖5 失效鋼管漏點處外壁截面的微觀腐蝕形貌及EDS測試點Fig. 5 Micro-morphology of corroded cross-section of outer wall near the leak for failure steel pipe and test points for EDS: (a) overall view; (b) partial enlarged view of location ①; (c) partial enlarged view of location ②; (d) partial enlarged view of location ③

測試點FeOSCl其他538.140.67.611.32.4633.264.7--2.1742.734.57.912.73.2842.835.56.812.43.5941.534.18.911.62.9

由圖5可見：腐蝕坑呈漏斗形，腐蝕從管道內(nèi)壁開始不斷向外壁擴展，具有點蝕(小孔腐蝕)的形貌特征。EDS分析結(jié)果(見表6)表明：腐蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物(測試點7)中含有較高的S和Cl元素，且Cl元素含量明顯高于其他位置，這說明Cl-在腐蝕坑內(nèi)存在明顯的富集。

微觀形貌及成分分析結(jié)果表明，鋼管泄漏部位發(fā)生了點蝕(即小孔腐蝕)穿孔，腐蝕產(chǎn)物中含有較高含量的腐蝕性元素S和Cl，漏點處腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3、FeOH和FeS組成。

2 討論和分析

失效管道的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足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，母材金相組織為鐵素體+珠光體，非金屬夾雜物級別不高，主要為氧化物和硫化物類夾雜。鋼管內(nèi)壁發(fā)生了嚴重的腐蝕，底部區(qū)域尤其是漏點周圍腐蝕最為嚴重；鋼管泄漏部位發(fā)生了由內(nèi)向外的點蝕(即小孔腐蝕)穿孔，腐蝕產(chǎn)物中含有較高含量的腐蝕性S和Cl元素，漏點處腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3、FeOH和FeS組成。

X60管線鋼的耐蝕性不高，在潮濕環(huán)境中容易發(fā)生表面銹蝕。當管道內(nèi)部有積水時，天然氣中的腐蝕性離子會溶于水形成腐蝕性溶液，隨著水的逐漸蒸發(fā)，腐蝕性離子的含量逐漸升高，若管道表面的氧化皮或銹層存在孔隙，鋼管在含鹵素離子(如氯離子和溴離子)或某些微生物(如硫酸鹽還原菌)的水環(huán)境中會發(fā)生點蝕[5]。腐蝕產(chǎn)物中腐蝕性元素Cl和S含量較高，說明點蝕是介質(zhì)環(huán)境中的氯離子和微生物共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論及建議

鋼管內(nèi)壁漏點處發(fā)生了嚴重的腐蝕，腐蝕形式為點蝕穿孔，腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3、FeOH和FeS組成。鋼管點蝕是環(huán)境中的氯離子和微生物共同作用的結(jié)果。

針對管道內(nèi)壁點蝕發(fā)生的原因，為減緩或防止腐蝕的發(fā)生，可以在管道內(nèi)涂刷緩蝕劑防護層或者采用陰極保護等防腐蝕措施。

[1] 王勇,張智亮,張紅霞,等. 天然氣管道腐蝕失效分析[J]. 化工裝備技術(shù),2008,29(5):53-54.

[2] 許萬劍,丁毅,師紅旗,等. 甲醇輸送管道開裂失效分析[J]. 熱加工工藝,2011,40(11):189-190.

[3] 楊建煒,張雷,丁睿明,等. X60管線鋼在濕氣和溶液介質(zhì)中的H2S/CO2腐蝕行為[J]. 金屬學(xué)報,2008,44(11):1366-1371.

[4] 單廣斌,劉小輝,亓婧,等. 天然氣管道開裂失效分析[J]. 壓力容器,2013(11):47-51.

[5] 范梅梅,劉宏芳. 二氧化碳對X60鋼微生物腐蝕行為影響[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),2012(2):107-112.

FailureAnalysisofNaturalGasPipeline

MA Yaxin1, MENG Zhengxing1, YUE Taiwen1, LIU Ming2

(1. Chengdu Aeronautic Polytechnic, Chengdu 610100, China;2. Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

The failure reasons of a natural gas pipeline were studied by chemical analysis, mechanical property testing, microstructure analysis. And the macro-morphology and micro-morphology of the corroded steel pipe near the leak were investigated, and the corrosion products were also analyzed. The results show that the inner wall near the leak of the failure steel pipe was seriously corroded. And the failure model was pitting perforation, which resulted from the cooperation of chloride ions and microbes in medium environment.

natural gas pipeline; X60 pipeline steel; corrosion; pitting failure

10.11973/fsyfh-201712015

TG172

B

1005-748X(2017)12-0974-04

2016-03-28

馬亞鑫(1988-),助理講師，碩士，主要從事鑄造工藝、金屬材料失效分析等研究，18380410130,yaxinma@126.com