采氣廠埋地天然氣管道泄漏失效分析*

來維亞，付安慶，尹成先，徐秀清

(石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

2017年9月10日，某油田分公司采氣廠送檢天然氣失效管段1件，管段規(guī)格為Φ159 mm×5 mm，管道鋼管材料為20#鋼。埋地管線處于干旱沙土地區(qū)，管道外壁有非金屬防腐層。送檢管段為某油田分公司采氣廠天然氣輸送管道，屬于含水濕氣輸送。濕氣組分中含甲烷93%，硫化氫含量1.487 mg/m3，二氧化碳含量0.772%，剩余組分屬于長鏈烷烴，含水濕氣輸送溫度19 ℃，屬于酸性天然氣輸送。依據(jù)失效樣品情況、運(yùn)行工況、失效樣品檢測結(jié)果進(jìn)行了綜合失效分析。

1 失效樣品情況

送檢管取自采氣廠天然氣輸送管道焊縫刺漏部位，管段全長1 000 mm，失效管規(guī)格為Φ159 mm×5 mm。管道外壁有非金屬防腐層，焊縫周邊進(jìn)行了特殊防腐處理。圖1為送檢管段所在的管道現(xiàn)場形貌；圖2為送檢管段現(xiàn)場焊縫泄漏點(diǎn)宏觀形貌；圖3為送檢管段樣品宏觀形貌，已去除焊縫周邊防腐層；圖4為送檢管段焊縫泄漏部位孔洞宏觀形貌；圖5為送檢管段內(nèi)壁宏觀形貌，內(nèi)壁有沙粒等沉積物，沉積物主要分布在管道內(nèi)壁下半部分，焊縫泄漏點(diǎn)也處于該區(qū)域；圖6為送檢管段焊縫內(nèi)壁宏觀形貌，焊縫內(nèi)壁余高最大8 mm，焊縫根部有較大蝕坑，在蝕坑底部處的焊縫穿孔，孔洞直徑約4～5 mm。

圖1 現(xiàn)場失效管道形貌

圖2 現(xiàn)場焊縫泄漏點(diǎn)形貌

圖3 送檢管段宏觀形貌

圖4 送檢管段焊縫泄漏點(diǎn)形貌

圖5 送檢管段內(nèi)壁宏觀形貌

圖6 送檢管段焊縫內(nèi)壁宏觀形貌

2 宏觀檢驗(yàn)

用超聲波測厚儀對送檢管段環(huán)焊縫兩側(cè)附近的管子壁厚進(jìn)行測量，環(huán)焊縫每側(cè)的壁厚測量點(diǎn)為8個(gè)，均勻分布于360°環(huán)向管壁上，測量結(jié)果見表2。從表2可見，環(huán)焊縫兩側(cè)管子壁厚平均值為4.8～4.9 mm，符合供貨技術(shù)要求；用游標(biāo)卡尺對送檢管段環(huán)焊縫內(nèi)壁上的焊縫余高進(jìn)行測量，以焊縫兩側(cè)內(nèi)壁表面作為基準(zhǔn)點(diǎn)，各測量8個(gè)位置，該8個(gè)測量位置均勻分布于360°環(huán)向焊縫上，測量結(jié)果見表1。從表1可見，焊縫余高最大值為8 mm，不符合GB/T 31032-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 送檢管段壁厚與余高測量結(jié)果 mm

3 理化試驗(yàn)

3.1 送檢管段管體材料化學(xué)成分分析

在送檢管段管體上取樣，用ARL 4460直讀光譜儀對其材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。從表2的化學(xué)成分分析結(jié)果可見，送檢管段管體材料的化學(xué)成分符合20號(hào)管線鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 送檢管段管體材料化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.2 金相分析

在送檢管段管體上以及環(huán)焊縫附近取樣，依據(jù)GB/T 13298-2015、GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對取自管體上的1號(hào)試樣進(jìn)行橫向與縱向金相分析，對取自環(huán)焊縫附近的2號(hào)試樣進(jìn)行熔合區(qū)與細(xì)晶區(qū)金相分析。圖7和圖8為1號(hào)試樣橫向與縱向金相組織，其金相組織均為F+P；圖9為2號(hào)試樣縱向金相組織，其金相組織為F+P；圖10為2號(hào)試樣焊縫熔合區(qū)金相組織，其金相組織為P+WF+B+F，屬于熔合區(qū)正常組織；圖11為2號(hào)試樣環(huán)焊縫細(xì)晶區(qū)金相組織，其金相組織為F+P，屬于20#管線鋼正常組織；圖12為焊接接頭橫截面宏觀形貌，環(huán)焊縫未見宏觀缺陷。

圖7 1號(hào)試樣橫向金相組織

圖8 1號(hào)試樣縱向金相組織

圖9 2號(hào)試樣縱向金相組織

圖10 2號(hào)試樣焊縫熔合區(qū)金相組織

圖11 2號(hào)試樣焊縫細(xì)晶區(qū)金相組織

圖12 焊接接頭橫截面宏觀形貌

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在送檢管段管體上取縱向拉伸試樣和縱向夏比沖擊試樣，依據(jù)拉伸性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010，用SHT4106型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)；依據(jù)夏比沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007，用PIT752D-2(300J)型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表3，夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表3和表4可見，樣品力學(xué)性能符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求(GB/T 8163-2008)。

表3 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 送檢管段環(huán)焊縫位置表面微觀形貌分析

在送檢管段環(huán)焊縫上取樣，用掃描電鏡對環(huán)焊縫內(nèi)壁未泄露部位表面進(jìn)行掃描分析，其微觀形貌如圖13所示；對環(huán)焊縫內(nèi)壁未泄露部位表面物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表5。從表5可見，環(huán)焊縫內(nèi)壁未泄露部位表面物質(zhì)主要成分是二氧化硅與碳酸鹽沉積物，也含有少量硫化物。用掃描電鏡對環(huán)焊縫腐蝕泄露部位表面進(jìn)行掃描分析，其微觀形貌如圖14～16所示；對環(huán)焊縫腐蝕泄露部位表面物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表6～8。從表6～8可見，環(huán)焊縫腐蝕泄露部位表面物質(zhì)除硅元素與鈣元素外，硫元素含量較高，焊縫處遭受含硫介質(zhì)侵蝕，侵蝕部位有沖刷痕跡。

圖13 焊縫內(nèi)壁未泄漏部位微觀形貌

圖14 焊縫內(nèi)壁泄漏部位微觀形貌

圖15 焊縫內(nèi)壁泄漏部位微觀形貌

圖16 焊縫內(nèi)壁泄漏部位微觀形貌

元素COAlSiKCaFe含量26.542.831.4618.691.691.195.15

表6 焊縫泄漏部位內(nèi)壁表面能譜檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表8 焊縫泄漏部位近表面能譜檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

4 綜合分析

送檢管段材料金相分析結(jié)果表明，管段材料的金相組織均為F+P，屬于20#管線鋼正常組織；焊縫熔合區(qū)與細(xì)晶區(qū)金相組織分別為P+WF+B+F和F+P，屬于焊縫正常組織[1-2]，環(huán)焊縫未見宏觀缺陷。送檢管段材料化學(xué)成分分析表明，元素組成符合20#管線鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。管段壁厚未見明顯減薄現(xiàn)象，室溫20#鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、縱向伸長率、縱向全尺寸沖擊功均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。管段內(nèi)表面焊縫余高最大值為8 mm，平均值達(dá)到6.8 mm，焊縫余高超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫處流體阻力增加，容易形成渦流。

掃描電鏡與能譜分析結(jié)果表明，送檢管段內(nèi)壁焊縫附近表面主要成分是SiO2(沙粒固體顆粒)和碳酸鹽沉積物，也含有少量硫化物。在管段內(nèi)壁明顯能觀察到一層沙粒固體顆粒，主要沉積在管段下部，焊縫也處于該區(qū)域。焊縫蝕坑處含有Si元素與Ca元素，化合物為SiO2和CaCO3，蝕坑附近硫元素含量較高，氫硫酸腐蝕焊縫形成了硫化物。焊縫與焊縫根部有明顯的沖刷痕跡，表明焊縫受到了酸性氣體的沖蝕[3-4]。

通過現(xiàn)場工況情況調(diào)查，現(xiàn)場管道中輸送的介質(zhì)是含水天然氣，天然氣組分中含有H2S，介質(zhì)屬于酸性流體。介質(zhì)中夾帶沙粒等固體顆粒，對輸送管道內(nèi)壁有沖刷腐蝕作用[5]。管道內(nèi)壁焊縫余高過大，流體在焊縫根部易形成渦流，加速焊縫根部的沖刷腐蝕。焊縫根部由于沖刷腐蝕形成凹坑直至焊縫減薄穿孔[6]。

通過上述分析可知，焊縫根部蝕坑是由于含有固體顆粒的酸性氣體不斷沖刷形成的，蝕坑的形成會(huì)加速?zèng)_刷腐蝕，在沖刷腐蝕作用下蝕坑沿焊縫根部擴(kuò)展，焊縫由內(nèi)向外減薄，最終穿孔刺漏，即送檢管段焊縫處泄漏失效是由于沖刷腐蝕引起的。

5 結(jié) 論

1)送檢管段材料化學(xué)成分、力學(xué)性能符合20#管線鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。環(huán)焊縫未見宏觀缺陷。

2)焊縫內(nèi)側(cè)余高值過大，流體阻力增加，在沖刷腐蝕作用下，焊縫根部由內(nèi)向外腐蝕減薄，最終導(dǎo)致焊縫穿孔失效。

6 建 議

1)管道環(huán)向焊接時(shí)嚴(yán)格遵守焊接工藝要求，避免管道內(nèi)壁焊縫余高過大。

2)查找原料氣中沙粒等固體顆粒的來源，避免流體夾帶固體顆粒。

3)工藝允許條件下盡量實(shí)現(xiàn)干氣輸送。