某油田ERW鋼管管體泄漏失效分析

叢 深，王志東，蔡 克，瞿婷婷，仝 珂，陳志昕

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司物資供應(yīng)處(物資管理部) 陜西 西安 710016)

0 引 言

直縫電阻焊管(Electric Resistance Welding)，簡(jiǎn)稱ERW鋼管，具有生產(chǎn)效率高、低成本、節(jié)省材料、易于自動(dòng)化等特點(diǎn)[1]，因此廣泛應(yīng)用于輸送高壓或低壓的石油和天然氣，目前在世界上的輸送用管領(lǐng)域起著重要作用[2]。但由于ERW鋼管焊縫易出現(xiàn)的碳偏析、夾渣、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，在油氣田輸送中會(huì)發(fā)生刺穿泄漏等失效事故，影響正常生產(chǎn)[3-4]。

東北某油田ERW鋼管在輸送油氣過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)管線泄漏。本文結(jié)合宏觀形貌分析、理化性能和穿孔微觀分析等試驗(yàn)，對(duì)該ERW鋼管穿孔刺漏原因進(jìn)行分析，以預(yù)防此類輸送管線的異常泄漏[5-7]，為油田正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供保障。

1 失效情況及理化性能試驗(yàn)

1.1 失效情況

送檢失效鋼管為Φ325 mm×6 mm L320M的ERW鋼管，刺漏鋼管外表面形貌如圖1所示。對(duì)送檢管樣品的宏觀形貌進(jìn)行分析，其外徑為325 mm，長(zhǎng)度約為60 cm，管體外壁完整，外表面呈灰黑色，且整個(gè)管段未見(jiàn)明顯塑性變形。將失效管樣品縱向剖開(kāi)，其內(nèi)壁形貌如圖2所示。從圖2可知，該管體內(nèi)壁的腐蝕程度較輕，但管體底部?jī)?nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，腐蝕坑附近已看不到原始管壁形貌[8-9]，沿管體軸向存在沖蝕特征[10]。在失效管樣品刺漏區(qū)域切取一塊試樣，將內(nèi)壁腐蝕銹跡刮除干凈后，在超景深顯微鏡下低倍觀察可發(fā)現(xiàn)，內(nèi)表面存在大量微小的點(diǎn)腐蝕坑，如圖3和圖4所示。該失效管樣品存在3處刺漏穿孔(其中有2處未完全貫通)，穿孔的直徑約為1 mm，如圖3中紅色圓圈所示。將圖4中試樣泄漏區(qū)沿穿孔方向切開(kāi)，其內(nèi)部形貌如圖5所示。從圖5可知，其刺漏區(qū)在管壁上的穿孔沿壁厚方向已完全貫穿。

圖1 刺漏鋼管外表面形貌

圖2 送檢管樣品內(nèi)壁宏觀形貌

圖3 送檢管樣品內(nèi)壁刺漏宏觀形貌

圖4 送檢管樣品內(nèi)壁刺漏形貌(圖3局部放大)

圖5 泄漏區(qū)穿孔壁厚方向宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)ASTM A751-14a《鋼產(chǎn)品化學(xué)分析的試驗(yàn)方法、規(guī)程和術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用ARL 4460直讀光譜儀對(duì)送檢管樣品管體進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，送檢管樣品管體的化學(xué)成分分析結(jié)果符合GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L320M鋼的要求。

1.3 拉伸性能試驗(yàn)

依據(jù)ASTM A370-17《鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》，在送檢管樣品上取橫向板狀試樣，規(guī)格為38.0 mm(寬度)×50 mm(標(biāo)距)，用SHT4106材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)送檢管樣品的室溫拉伸性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，該送檢管樣品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及屈服比均符合GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 送檢管樣化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 送檢管樣的室溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

1.4 壓扁性能試驗(yàn)

依據(jù)ASTM A370-17《鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》，采用YH41-100C校正壓裝液壓機(jī)，在送檢管樣品的管體處取2個(gè)焊縫壓扁環(huán)試樣(0°與90°方向)進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，試樣壓至貼合后且未出現(xiàn)裂紋。

表3 送檢管樣的壓扁性能試驗(yàn)結(jié)果

1.5 金相組織分析

依據(jù)ASTM E3-11—2011《金相試樣的制備標(biāo)準(zhǔn)》、ASTM E45-13《夾雜物分析標(biāo)準(zhǔn)》及ASTM E112-13—2013《測(cè)定平均晶粒度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)及OLS 4100激光共聚焦顯微鏡，在送檢管樣品的管體及泄漏區(qū)分別取樣，對(duì)其材料的顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，試樣管體心部組織與泄漏區(qū)均為珠光體P+鐵素體F，如圖6和圖7所示。刺漏穿孔邊界區(qū)域的組織未發(fā)現(xiàn)異常，晶粒度和非金屬夾雜物未見(jiàn)異常。

表4 送撿管樣品材料金相分析結(jié)果

圖6 管體心部組織

圖7 泄漏區(qū)組織

1.6 掃描電鏡及能譜分析

在送檢管樣品管體泄漏區(qū)域取樣，用TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜分析儀對(duì)試樣內(nèi)表面進(jìn)行微觀形貌觀察及能譜分析。圖8為內(nèi)表面泄漏穿孔處微觀形貌，該泄漏孔洞為“外窄內(nèi)寬”的結(jié)構(gòu)形狀，表明穿孔是由內(nèi)表面向外擴(kuò)展，另外在刺漏處附近內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)大量的點(diǎn)蝕坑痕跡，如圖9所示。

圖8 泄漏穿孔處形貌

圖9 泄漏處點(diǎn)蝕形貌

圖10為送檢管樣品泄漏穿孔處內(nèi)表面物質(zhì)能譜分析結(jié)果，圖10表明泄漏穿孔內(nèi)主要元素分布為Fe、C和O元素，此外還存在少量的Si元素，其中C元素含量為51.39%，O元素含量為23.76%。刺漏附近區(qū)域點(diǎn)蝕坑表面物質(zhì)能譜分析結(jié)果如圖11所示。由圖11中能譜分析的化學(xué)成分結(jié)果可知，點(diǎn)蝕坑表面物質(zhì)主要元素為Fe、C和O元素，且C、O元素含量較高，其元素分布曲線與穿孔處元素分布曲線相同。

元 素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原子分?jǐn)?shù)/%C K51.3968.85O K23.7623.90Si K0.320.18Fe K24.547.07總 和100.00

圖10泄漏穿孔處內(nèi)表面能譜分析結(jié)果

元 素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原子分?jǐn)?shù)/%C K10.0721.68O K31.8051.40Fe K58.1326.92總 和100.00

圖11泄漏區(qū)附近點(diǎn)蝕坑能譜分析結(jié)果

2 失效原因分析

根據(jù)以上試驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)該鋼管腐蝕刺漏產(chǎn)生原因進(jìn)行綜合分析。

由理化性能檢測(cè)結(jié)果可知，失效管樣品管體化學(xué)成分符合GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L320M鋼的要求。由力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，失效管樣品的拉伸性能及壓扁性能均符合GB/T 9711—2011對(duì)L320M鋼的要求。由金相組織分析結(jié)果可知，該失效管樣品管體及泄漏區(qū)附近組織與非金屬夾雜均未見(jiàn)異常。

由宏觀形貌分析可知，該失效管段未見(jiàn)明顯塑性變形，管體內(nèi)壁腐蝕程度較輕，但管體底部?jī)?nèi)壁局部腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)超景深顯微鏡低倍觀察下可發(fā)現(xiàn)，管樣內(nèi)壁泄漏區(qū)域存在3處刺漏穿孔(圖3)，其中1處經(jīng)縱向切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)已完全貫穿，其余2處未完全貫穿，但方向均由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展。此外，在刺漏附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)有大量輕微的點(diǎn)蝕坑。

由掃描電鏡及能譜分析結(jié)果可知，刺漏孔洞呈現(xiàn)“外窄內(nèi)寬”的結(jié)構(gòu)形狀，表明穿孔由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，這一點(diǎn)也與上述宏觀形貌觀察中未貫穿孔洞相符。由能譜分析結(jié)果可知，管樣內(nèi)壁刺漏穿孔處主要元素分布為Fe、C和O元素。

根據(jù)失效管現(xiàn)場(chǎng)資料，此批發(fā)生泄漏失效的鋼管位于稻田地，并處遼河岸邊，當(dāng)?shù)乜諝鉂穸容^大，在現(xiàn)場(chǎng)存放5天后進(jìn)行施工焊接。經(jīng)過(guò)核查2016年1月16日當(dāng)?shù)靥鞖赓Y料，當(dāng)?shù)禺?dāng)天為降雪天氣，結(jié)合失效管樣品在現(xiàn)場(chǎng)的施工環(huán)境和試壓工藝過(guò)程，判斷該失效管樣品主要發(fā)生了O2腐蝕，同時(shí)伴隨有少量的CO2腐蝕。具體失效過(guò)程為：在管道底部有積液存在，試壓介質(zhì)為1.85 MPa的空氣(21%O2，0.031%CO2)，因鋼管中的積液含量較少，而試壓介質(zhì)中的O2和CO2含量較高，故鋼管中的積液最終成為CO2和O2飽和水溶液，在管道底部發(fā)生腐蝕。隨著CO2和O2腐蝕的發(fā)生，在管道底部形成了一層主要含有Fe2O3和FeCO3的腐蝕產(chǎn)物膜，同時(shí)還有少量的Fe3O4和FeOOH，隨后發(fā)生了腐蝕產(chǎn)物膜的膜下腐蝕(Under-deposit Corrosion)，該類型腐蝕主要表現(xiàn)為局部腐蝕特征，且沿重力方向最終導(dǎo)致鋼管底部發(fā)生穿孔。

綜上所述，該ERW鋼管管體泄漏失效的主要原因是在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中因管道底部殘留積液，并與試壓介質(zhì)中的O2和CO2結(jié)合，隨后對(duì)該ERW鋼管管體進(jìn)行了腐蝕。腐蝕介質(zhì)為大體積的O2和CO2在小體積的殘留積液中形成持續(xù)飽和的腐蝕性水溶液，腐蝕類型為腐蝕產(chǎn)物膜的膜下腐蝕。

3 結(jié)論與建議

1)送檢管樣品材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織均符合GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L320M鋼管的要求。

2)該刺漏失效鋼管腐蝕穿孔的原因是試壓空氣中的O2和CO2(大體積)在殘留積液(小體積)中形成持續(xù)飽和的腐蝕性水溶液引起的腐蝕產(chǎn)物膜的膜下腐蝕。

3)建議對(duì)該條管線進(jìn)行檢測(cè)，判斷其它部位是否存在嚴(yán)重腐蝕，對(duì)其適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4)建議對(duì)新建管線采用空氣試壓時(shí)，應(yīng)在試壓前對(duì)管線進(jìn)行熱風(fēng)吹掃，并減少試壓所用空氣中的含水量。如果管線不能及時(shí)投用，建議采用氮?dú)獗骸?/p>