海洋平臺(tái)淡水系統(tǒng)不銹鋼管道焊道泄漏分析及對(duì)策

張公濤，唐寧依，孟凡然，金 濤，胡 俊

中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300457

淡水系統(tǒng)作為海洋平臺(tái)水工藝系統(tǒng)的重要組成部分，為平臺(tái)的工作人員提供淡水水源，包括為生活、實(shí)驗(yàn)室、洗眼站、化學(xué)注入系統(tǒng)及設(shè)備沖洗等提供淡水[1]。不銹鋼由于其良好的耐腐蝕性及綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于石油、化工行業(yè)中。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管道材質(zhì)選擇，海洋平臺(tái)淡水管道采用316L不銹鋼材質(zhì)。

在渤海油田近年來(lái)投產(chǎn)的新建平臺(tái)中，暴露出多個(gè)不銹鋼管道泄漏問(wèn)題，時(shí)間一般密集出現(xiàn)在平臺(tái)投產(chǎn)1年內(nèi)，淡水系統(tǒng)管道泄漏給生產(chǎn)帶來(lái)了較嚴(yán)重的影響。為進(jìn)一步查明泄漏原因并采取相應(yīng)的防范措施，為后續(xù)項(xiàng)目提供指導(dǎo)借鑒，對(duì)淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏的原因進(jìn)行了對(duì)比分析，并提出了相應(yīng)解決措施。

1 問(wèn)題描述

渤海油田某作業(yè)公司所管轄的A、B兩座平臺(tái)均由同一工程項(xiàng)目組負(fù)責(zé)實(shí)施，兩座平臺(tái)淡水管道材質(zhì)均為316L不銹鋼，管道規(guī)格基本一致，管徑為1～4 in（1 in=25.4 mm），壓力等級(jí)150 lb（相當(dāng)于667 N），管道操作溫度20℃左右，冬季采用電伴熱，外部保溫層厚度5 cm，內(nèi)部介質(zhì)為淡水。兩座平臺(tái)的淡水管道均出現(xiàn)了投產(chǎn)后1年內(nèi)管道穿孔泄漏問(wèn)題。對(duì)兩座平臺(tái)出現(xiàn)的不銹鋼管道漏點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比：A平臺(tái)于2015年7月份投產(chǎn)，在投產(chǎn)后1年左右的時(shí)間內(nèi)，淡水系統(tǒng)管道陸續(xù)出現(xiàn)泄漏點(diǎn)36處；B平臺(tái)于2019年2月份投產(chǎn)，投產(chǎn)1年內(nèi)，淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏點(diǎn)11處，較A平臺(tái)出現(xiàn)的泄漏點(diǎn)明顯降低。

2 問(wèn)題分析及解決思路

2.1 泄漏點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)對(duì)比

對(duì)A平臺(tái)淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏的部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要泄漏點(diǎn)有2類。第1類為管道對(duì)接焊道處：通過(guò)對(duì)漏點(diǎn)處進(jìn)行切割，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)壁出現(xiàn)夾渣、氣泡，焊縫表面銹蝕，焊接質(zhì)量較差，在使用過(guò)程中出現(xiàn)漏點(diǎn)數(shù)量為25處（見(jiàn)圖1（a））；第2類為管鞋與管道焊接處：淡水管道采用固定式管鞋，管鞋與管道直接對(duì)焊，焊接處管鞋內(nèi)壁出現(xiàn)明顯的腐蝕泄漏點(diǎn)，漏點(diǎn)數(shù)量為11處（見(jiàn)圖1（b））。

圖1 A平臺(tái)淡水管道泄漏點(diǎn)位

對(duì)B平臺(tái)淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏的部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要泄漏點(diǎn)有1類，位于管道焊縫處?，F(xiàn)場(chǎng)外觀檢查焊縫焊接質(zhì)量較差，有較大孔眼，漏點(diǎn)數(shù)量為9處（見(jiàn)圖2）。

圖2 B平臺(tái)淡水管道泄漏點(diǎn)位

平臺(tái)不銹鋼管道焊接方式共有3類：第1類為管道對(duì)焊方式，主要適用于管徑2 in及以上管道的對(duì)接；第2類為管道插焊方式，主要用于管徑2 in以下的管道焊接；第3類為管鞋焊接，主要用于管道的底部承重焊接。對(duì)A、B兩平臺(tái)不銹鋼管道漏點(diǎn)進(jìn)行梳理對(duì)比，得出以下統(tǒng)計(jì)結(jié)論：第一，A、B兩平臺(tái)采用插焊方式的焊口均未出現(xiàn)漏點(diǎn)，即管徑2 in以下的管道焊口未出現(xiàn)漏點(diǎn)；第二，A平臺(tái)出現(xiàn)11處管鞋焊接類漏點(diǎn)，B平臺(tái)未出現(xiàn)管鞋焊接類漏點(diǎn)；第三，出現(xiàn)漏點(diǎn)的焊道全部為管徑2in以上的對(duì)焊焊道口。A、B平臺(tái)管道焊口漏點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 A、B平臺(tái)不銹鋼管道對(duì)口焊接合格率統(tǒng)計(jì)對(duì)比

通過(guò)工程項(xiàng)目質(zhì)量過(guò)程跟蹤管理程序，查找A、B平臺(tái)對(duì)應(yīng)漏點(diǎn)的淡水系統(tǒng)管道焊道信息，針對(duì)焊接環(huán)境，區(qū)分了車(chē)間內(nèi)預(yù)制的焊道口與現(xiàn)場(chǎng)施工焊道口信息。A、B平臺(tái)上管道對(duì)焊車(chē)間焊接口與現(xiàn)場(chǎng)焊接口統(tǒng)計(jì)情況對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 A/B平臺(tái)不銹鋼管道對(duì)焊車(chē)間焊接口與現(xiàn)場(chǎng)焊接口統(tǒng)計(jì)對(duì)比

2.2 施工管理措施對(duì)比

不銹鋼管道施工焊接過(guò)程按照焊接工藝規(guī)程采取充氬氣進(jìn)行保護(hù)作業(yè)，過(guò)程需使用氧氣測(cè)試儀檢測(cè)管內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)，最大氧氣體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.1%（即1 000 ppm，1 ppm=10-6）。焊道完成后，根據(jù)規(guī)格書(shū)要求，需要做100%的外觀檢驗(yàn)，按比例進(jìn)行RT（射線探傷檢驗(yàn)）抽檢。水壓試驗(yàn)要求用氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50 ppm的潔凈淡水作為試驗(yàn)介質(zhì)，試壓后排凈所有淡水并用氣吹干。

A平臺(tái)于2014年6月開(kāi)工建造，2015年7月投產(chǎn)，2016年出現(xiàn)不銹鋼管道大面積泄漏問(wèn)題。針對(duì)泄漏問(wèn)題，經(jīng)漏點(diǎn)信息分析、材質(zhì)檢驗(yàn)、焊接記錄追溯等，提出以下措施，以便為未來(lái)實(shí)施項(xiàng)目提供借鑒。

（1）避免采用管鞋與管道直接焊接的方式，宜采用U型螺栓、管箍、管卡等非焊接固定支撐方式進(jìn)行替代，避免焊接過(guò)程中產(chǎn)生的管道燒穿、焊接缺陷，以減少漏點(diǎn)。

（2）加強(qiáng)不銹鋼管道焊接過(guò)程質(zhì)量控制，提高不銹鋼管道焊口無(wú)損檢驗(yàn)比例。抽檢口按50道口一組，RT抽檢比例提升至20%（A平臺(tái)施工時(shí)按10%抽檢），且規(guī)定若每組中抽檢到1道口不合格，則該組所有焊口進(jìn)行100%RT檢驗(yàn)。

（3）加強(qiáng)對(duì)施工場(chǎng)地不銹鋼材料存放的管理，避免出現(xiàn)材質(zhì)污染。針對(duì)管道材質(zhì)問(wèn)題，排查出現(xiàn)問(wèn)題的不銹鋼管材生產(chǎn)廠家，在后續(xù)項(xiàng)目中禁止使用其產(chǎn)品，同時(shí)增加材料入場(chǎng)復(fù)檢化學(xué)成分分析程序，以增強(qiáng)管材質(zhì)量的把控。

（4）嚴(yán)格控制水壓試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)試壓水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，合格后方可用于水壓試驗(yàn)，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行試壓后管道的吹掃干燥程序，保證管道干燥。

（5）在焊接過(guò)程中，施工人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行《管線焊接工藝規(guī)程》，注意焊接參數(shù)、焊接熱輸入量的控制，背部充氬并監(jiān)測(cè)氬氣純度，返修工作滿足《管線焊接修復(fù)程序》，質(zhì)控人員加強(qiáng)過(guò)程巡檢。

B平臺(tái)于2017年7月開(kāi)工建造，淡水系統(tǒng)不銹鋼管道相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)要求及質(zhì)量控制要求按照上述5條措施開(kāi)展，不銹鋼管道整體實(shí)施質(zhì)量有了明顯改善。對(duì)比于A平臺(tái)，B平臺(tái)1年內(nèi)不銹鋼管道泄漏點(diǎn)在管鞋類泄漏點(diǎn)問(wèn)題上，因采用了非焊接管鞋設(shè)計(jì)，管鞋類泄漏點(diǎn)下降了100%；在不銹鋼焊道類泄漏點(diǎn)問(wèn)題上，整體下降了40%，其中車(chē)間焊口泄漏點(diǎn)下降了54%，現(xiàn)場(chǎng)焊口泄漏點(diǎn)下降了45%，印證了上述5條措施實(shí)施有效。

3 問(wèn)題進(jìn)一步分析

B平臺(tái)晚于A平臺(tái)建造，通過(guò)采取質(zhì)量提升措施，不銹鋼管道泄漏問(wèn)題得到大幅改善，但仍不能滿足項(xiàng)目管理目標(biāo)，針對(duì)B平臺(tái)仍出現(xiàn)的問(wèn)題，開(kāi)展了進(jìn)一步分析。

3.1 材質(zhì)因素

對(duì)出現(xiàn)漏點(diǎn)的管段進(jìn)行PMI金屬材質(zhì)檢測(cè)分析，從檢測(cè)結(jié)果可以看出母材中的Cr、Ni和Mo元素含量處于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限區(qū)間。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Cr、Ni和Mo元素檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由PMI金屬材質(zhì)檢測(cè)分析結(jié)果可知，母材中Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在17%以下，符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。但是根據(jù)材料學(xué)理論，當(dāng)Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)其處在不銹鋼耐腐蝕性能的臺(tái)階值位置，母材本身的耐腐蝕性能相對(duì)較低，因而管道在使用過(guò)程中，將從Cr含量較低區(qū)域首先發(fā)生腐蝕[2-3]。根據(jù)上述結(jié)果，推測(cè)管道出廠時(shí)材質(zhì)本身存在一定質(zhì)量問(wèn)題，加上現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)措施有限，因而未能發(fā)現(xiàn)全部問(wèn)題；另外也存在管道因現(xiàn)場(chǎng)存放保管不當(dāng)，而造成局部滲碳的可能。

3.2 介質(zhì)腐蝕

觀察焊道切口，可見(jiàn)管道內(nèi)壁存在雜質(zhì)，內(nèi)部有腐蝕情況。部分管道內(nèi)部出現(xiàn)縱向水線，泄漏點(diǎn)的位置均在水線以下區(qū)域。據(jù)此推測(cè)水壓試驗(yàn)結(jié)束后并未嚴(yán)格按照規(guī)程吹掃干凈，未排干積水，有殘存水聚集的情況存在，殘存水提供了腐蝕介質(zhì)，導(dǎo)致管道在存放期間逐漸發(fā)生點(diǎn)蝕穿孔[4]。

3.3 焊接工藝

對(duì)于小管徑薄壁不銹鋼管道，焊接過(guò)程中存在溫度上升速度快，降溫速度慢的特點(diǎn)，導(dǎo)致焊接過(guò)程中層間溫度超出最高150℃的要求，或者長(zhǎng)時(shí)間停留在較高溫度區(qū)間。這種情況下，焊縫及熔合線溫度在800～450℃的停留時(shí)間相對(duì)變長(zhǎng)，導(dǎo)致Cr23C6的大量形成，從而引起晶間貧鉻，最終導(dǎo)致晶間腐蝕的發(fā)生[5]。

另外從泄漏管段特征來(lái)看，有部分管段管道背部焊縫存在一定的氧化情況，局部氧化發(fā)黑。由于現(xiàn)場(chǎng)焊接口的背保護(hù)充氣相對(duì)困難，氧含量不易降低，在焊接過(guò)程中背部存在潛在的氧化情況，從而導(dǎo)致合金元素包括鉻元素的氧化和燒損，最終引起局部腐蝕[6]。

4 結(jié)論及建議

綜合分析A、B平臺(tái)出現(xiàn)的不銹鋼管道泄漏問(wèn)題，B平臺(tái)通過(guò)管理提升后取得的改善成果，以及對(duì)B平臺(tái)仍然存在的問(wèn)題所開(kāi)展的進(jìn)一步分析，提出新的解決措施如下：

第一，建議提高所使用的不銹鋼管道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證不銹鋼管道、管件、焊材等的出廠質(zhì)量。

第二，通過(guò)采取增加車(chē)間焊接口、現(xiàn)場(chǎng)法蘭口、現(xiàn)場(chǎng)插焊口數(shù)量等措施，減少現(xiàn)場(chǎng)焊口數(shù)量，從而減少焊接漏點(diǎn)。

第三，加強(qiáng)管道清掃、干燥管理，在項(xiàng)目檢驗(yàn)試驗(yàn)計(jì)劃（ITP）中相應(yīng)提高管道清掃、干燥檢驗(yàn)的等級(jí)。

第四，控制焊接工藝，對(duì)焊接過(guò)程中出現(xiàn)的氧化點(diǎn)進(jìn)行酸洗鈍化處理。

第五，建議考慮適當(dāng)增加不銹鋼管道焊口處的壁厚。