依據(jù)BS 8701標準的油氣管道抗硫化氫腐蝕試驗

徐 亮，曾維勁，李家兵，林婉娜，曹炳亮，曾慶興

(帕博檢測技術服務有限公司 廣東 珠海 519050)

0 引 言

金屬腐蝕是金屬材料與環(huán)境介質的物理-化學相互作用，其結果使金屬材料的性能發(fā)生變化，并常可導致材料、環(huán)境或由它們作為組成部分的技術體系的功能受到損失[1]。腐蝕是油氣輸送管的主要失效形式之一[2]。在油氣輸送管生產(chǎn)制造行業(yè)，抗硫化氫腐蝕是最常見的腐蝕試驗，是抗酸鋼管制造廠所必須進行的管理生產(chǎn)工藝、控制產(chǎn)品質量的檢驗性試驗。抗硫化氫腐蝕試驗主要包括HIC(氫致開裂)和SSC(硫化物應力開裂)兩種不同類型的實驗室試驗方法，國際上常用的試驗標準分別為NACE TM0284、NACE TM0177與ASTM G39。HIC和SSC這兩種試驗方法的試驗設備要求簡單、操作容易及再現(xiàn)性好，但試驗條件與管道的實際服役工況存在很大差異。與NACE TM0284、NACE TM0177及ASTM G39試驗標準相比，BS 8701：2016標準有如下兩個方面的特點：1)保留了鋼管制造過程中的殘余應力，并通過機械方法施加規(guī)定的工作應力。2)區(qū)別于前三種試驗標準的全浸試驗，該試驗僅鋼管的內表面接觸試驗溶液，與輸送鋼管的實際運行狀態(tài)一致。因此，對抗酸腐蝕管道應按照BS 8701：2016標準進行抗酸腐蝕試驗。本文通過簡要介紹BS 8701：2016《測定管線鋼在酸性環(huán)境下開裂敏感性的完整環(huán)橢圓度試驗. 試驗方法》，并依據(jù)BS 8701:2016試驗標準對國內某鋼管廠生產(chǎn)的規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm、材料為X60MS的對接環(huán)焊焊接工藝評定鋼管進行了試驗，并將試驗結果與NACE TM0284，NACE TM0177和ASTM G39標準的試驗結果進行了比較。

1 抗硫化氫腐蝕試驗

1.1 試驗概述

金屬材料通常在應力下和環(huán)境介質中服役，該應力包括殘余應力和工作應力。應力和環(huán)境介質的共同作用常常導致較單一因素下更嚴重的破壞形式，如應力腐蝕、腐蝕疲勞、氫脆等。BS 8701：2016標準是在HSE OTI 95 635試驗標準的基礎上頒布實施的。該標準要求針對不同規(guī)格的鋼管制備相應規(guī)格的試驗裝置及輔助材料，在管段試樣的加載施力、試驗管段上下底蓋的制作、試驗溫度的保持、硫化氫氣體濃度的保持、防止試驗溶液泄漏等方面應充分做好各項準備工作。

1.2 試驗鋼管

選用試驗鋼管為國內某鋼管廠生產(chǎn)的輸送管線環(huán)焊焊接工藝評定用對接環(huán)焊管段，管段規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm，試驗管段總長度為508 mm，材料為X60MS。在制備試驗管段時，用超聲波探傷儀對管段表面進行探傷檢測，使試驗管段在試驗前無缺陷。試驗管段母材的化學成分見表1。試驗管段母材的屈服強度為Rt0.5=485 MPa，抗拉強度為Rm=575 MPa，面縮率為A50=36%。試驗管段母材的金相組織為鐵素體+珠光體，平均晶粒度為11級。試驗管段焊縫的金相組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體，平均晶粒度為10級。試驗管段焊縫和母材材料的金相組織如圖1和圖2所示。

表1 試驗管段母材的化學成分(質量分數(shù)) %

圖1 焊縫中心組織

圖2 管體母材組織

1.3 試驗溶液

根據(jù)BS 8701：2016標準的要求，配制的試驗溶液為NACE TM0177 A，該溶液的成分為5%NaCl+0.5%CH3COOH+94.5%蒸餾水。

1.4 試驗加載應力

BS 8701：2016試驗標準規(guī)定了內部加載與外部加載兩種機械加載方法，對于管徑在305 mm以上的鋼管采用鋼管內部加載方法，其過程如下：利用液壓千斤頂和加力支撐條對管壁內側進行加載，并在加載過程中用動態(tài)應變儀監(jiān)測應變片的變形量，當應變片變形量達到指定的數(shù)值后停止加載。然后，在加力支撐條之間安裝雙頭螺桿頂緊裝置頂住支撐條，旋緊雙頭螺桿頂緊裝置，當應變片數(shù)值不發(fā)生變化時(應變片變形量應在指定試驗加載力之上)卸下液壓千斤頂，加載過程完成，即鋼管發(fā)生橢圓變形。在此試驗裝置中加力支撐條和雙頭螺桿頂緊裝置均由316L不銹鋼材料加工制造，在整個試驗過程中需要浸泡在試驗溶液中。應力計算公式為：

式中:σp為環(huán)向應力，MPa；E為試驗管環(huán)彈性模量，GPa；ν為泊松比；ε1和ε2分別代表管段環(huán)向應變和縱軸方向應變。所用應變片為直角雙軸應變片，應變儀為高速動態(tài)應變儀。試驗加載應力按照X60管線鋼規(guī)定最小屈服強度的72%，即415 MPa×72%=298.8 MPa加載。圖3為內部加載方式示意圖，圖4為試驗加載現(xiàn)場圖。試驗力加載、試樣清洗及試驗溶液注入完成后，將完整環(huán)型試驗管段移至試驗專用通風櫥中，并保持試驗溫度符合標準要求。

圖3 內部加載方式示意圖

圖4 試驗加載現(xiàn)場圖

1.5 試驗流程

圖5是抗酸腐蝕完整環(huán)型橢圓變形法試驗流程圖[3]。當試驗溶液中H2S濃度≥2 300 mg/L后，試驗正式開始，該試驗持續(xù)時間為720 h。試驗開始進行后，按照標準要求每隔5天檢測一次試驗溶液，記錄測量溶液的pH值和H2S濃度，在試驗進行過程中H2S濃度≥2 300 mg/L。溶液溫度應為24±3 ℃，試驗結束時試驗溶液的pH值≤4.0。

圖5 完整環(huán)型橢圓變形法試驗流程

1.6 試驗結果

圖5所示的抗酸腐蝕完整環(huán)型橢圓變形法試驗完成后，在溶液中輸入氮氣將硫化氫尾氣排出，然后排出試驗溶液，卸除試驗加載裝置，清洗試樣內外表面。經(jīng)目視外觀檢查，試驗管段內外表面均無氫鼓泡產(chǎn)生。圖6為試驗后未清理卸載管段，圖7為試驗清理卸載后管段。

圖6 試驗后未清理卸載管段

圖7 試樣卸載清理后管段

對抗酸腐蝕完整環(huán)型橢圓變形法試驗后的管段進行超聲波探傷檢測，發(fā)現(xiàn)在對接環(huán)焊縫上有缺陷信號產(chǎn)生，缺陷位置如圖8所示，即缺陷位于圖8中白色方框內的白色標記處。對白色方框位置進行試樣截取，并經(jīng)金相試驗和測量，該裂紋長度為2.1 mm，屬于典型的硫化物應力腐蝕裂紋，裂紋形貌如圖9和圖10所示。

圖8 缺陷位于白色方框中的白色標記處

圖9 裂紋宏觀形貌(5×)

圖10 裂紋微觀形貌(200×)

2 HIC和SSC試驗

從Φ508 mm×11.13 mm直縫埋弧焊鋼管(因不能破壞環(huán)焊縫，故未取環(huán)焊縫樣品)上取3個試樣(焊縫、母材90°、母材180°各一個)，按照NACE TM0284 A溶液進行HIC試驗；另取1個焊縫試樣按照ASTM G39、NACE TM0177 在A溶液中進行SSC四點彎曲試驗，試驗結果見表2。

從表2可見，所取樣品經(jīng)過HIC試驗，沒有產(chǎn)生氫鼓泡，也沒有產(chǎn)生裂紋，與完整環(huán)型橢圓變形法試驗結果相同。所取樣品經(jīng)過SSC試驗，沒有出現(xiàn)裂紋，與完整環(huán)型橢圓變形法試驗結果相同。

表2 HIC與SSC試驗結果

3 綜合分析

對試驗管段直縫埋弧焊管管體母材的化學成分、機械性能、金相組織以及焊縫的金相組織進行了分析，以內部加載方式按照BS 8701：2016標準對規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm，材質為X60MS的油氣輸送管道對接環(huán)焊管進行了抗硫化氫腐蝕完整環(huán)橢圓度試驗，試驗浸泡結束后對完整環(huán)全管段進行了超聲波探傷。通過超聲波探傷發(fā)現(xiàn)試驗管段管體和直焊縫均無裂紋，環(huán)焊縫存在1處裂紋。通過金相分析了裂紋形貌。對組成環(huán)焊管的原直縫埋弧焊管母管進行了HIC和SSC試驗，試驗結果均無裂紋，試驗結果符合使用要求，與完整環(huán)型橢圓變形法試驗結果相同。按照BS 8701：2016標準進行完整環(huán)型橢圓變形法試驗保留了制管和焊接過程中產(chǎn)生的殘余應力，并采用機械方法施加工作應力，以及僅有試樣內表面單面接觸試驗溶液，使試驗環(huán)境更符合油氣管道實際的服役狀態(tài)，這是該試驗方法的優(yōu)點，但是，該方法需要針對不同規(guī)格的鋼管制備相應規(guī)格的試驗裝置及輔助材料，試驗實施的難度較大。另外，試驗結果也說明直縫埋弧焊輸送管線對接焊縫的焊接工藝非常重要，即使鋼管的抗酸性能檢測結果符合相關要求，如果環(huán)焊工藝不符合要求，環(huán)焊縫也會出現(xiàn)硫化物應力腐蝕開裂的風險，給輸送管線的正常運行帶來非常大的安全隱患。

4 結 論

1)按照BS 8701：2016標準對規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm、材料為X60MS的油氣輸送管道對接環(huán)焊管進行了抗硫化氫腐蝕完整環(huán)橢圓度試驗，試驗管段的母材及直焊縫未出現(xiàn)硫化氫腐蝕裂紋，符合使用要求，而在環(huán)焊縫中出現(xiàn)了硫化氫腐蝕裂紋，不符合使用要求。

2)完整環(huán)橢圓度試驗中管體部分的試驗結果與組成環(huán)焊管的原直縫埋弧焊管母管的HIC和SSC試驗結果進行了對比，其試驗結果相同。