某高壓燃?xì)夤艿缽澒芨g泄漏原因分析

叢 深,張慶榮,趙 冰,曹巖剛,張 翔

(1.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司,國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石油管及裝備質(zhì)量安全) 陜西 西安 710077; 2.青海油田物資裝備有限公司 甘肅 敦煌 736200; 3.長慶油田分公司物資供應(yīng)處 陜西 西安 710016; 4.長慶油田分公司第一采油廠 陜西 西安 710016)

0 引 言

近年來,中國城市燃?xì)獍l(fā)展迅速,燃?xì)庖殉蔀橹袊匾哪茉粗?。城市燃?xì)夤艿肋\(yùn)行中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)也日益增加[1]。由于燃?xì)夤艿酪话愣悸裨诘叵?且很多城市燃?xì)夤艿朗卿佋O(shè)于人口密集和交通樞紐區(qū)域,因此,一旦發(fā)生燃?xì)庑孤┦鹿?就會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失,威脅人員生命安全,還會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)危害等[2-4]。

影響燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行的因素中,腐蝕是引起埋地燃?xì)夤艿榔茐暮褪У闹饕?之一。據(jù)相關(guān)資料的調(diào)查統(tǒng)計(jì),由腐蝕引起的事故占管道安全事故的比例為40%。燃?xì)夤艿乐饕娘L(fēng)險(xiǎn)來自于管道的外腐蝕[5-7]。而引起管道外腐蝕的因素較多,如土壤特性、管道外防腐層、陰極保護(hù)及雜散電流干擾等。

某城市的燃?xì)夤艿乐械膹澒艹霈F(xiàn)了泄漏,為了確定該彎管的泄漏原因,對(duì)泄漏彎管樣品的外觀形貌、理化性能、金相組織、腐蝕產(chǎn)物和化學(xué)成分等進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 泄漏失效概況

2022年10月,某燃?xì)庥邢薰景l(fā)現(xiàn)燃?xì)夤艿乐械膹澒艹霈F(xiàn)泄漏情況,泄漏彎管外表面宏觀形貌如圖1所示。泄漏管道設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa,運(yùn)行壓力為3.8 MPa,設(shè)計(jì)溫度為50 ℃,運(yùn)行溫度為25 ℃,泄漏彎管外表面的防腐層材料為3PE,陰極保護(hù)方法為犧牲陽極,投用日期為2015年10月。該泄漏彎管規(guī)格為Φ323.9 mm×7.9 mm 6D,鋼級(jí)為L290NB,生產(chǎn)該彎管所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應(yīng)加熱彎管》。

圖1 泄漏彎管外表面宏觀形貌

2 泄漏彎管試驗(yàn)分析

2.1 宏觀形貌

泄漏彎管宏觀形貌如圖2所示,圖2中除一側(cè)直管段外彎管的其余外表面防腐層均已被打磨去除。從圖2可見,彎管彎曲段外弧側(cè)至中性區(qū)外表面存在2處腐蝕坑,分別標(biāo)記為1#與2#腐蝕坑,其余管體表面未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡,1#和2#腐蝕坑形貌如圖2和圖3所示。

圖2 泄漏彎管宏觀形貌

圖3 彎管外表面腐蝕坑宏觀形貌

2.2 泄漏彎管壁厚尺寸測量

根據(jù)SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應(yīng)加熱彎管》標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)泄漏彎管的外弧側(cè)、內(nèi)弧側(cè)和腐蝕坑周圍區(qū)域的壁厚分別進(jìn)行了測量,結(jié)果見表1。從表1可見,泄漏彎管的壁厚尺寸不符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求,其中腐蝕坑周圍區(qū)域的壁厚尺寸較小。

表1 彎管壁厚尺寸測量結(jié)果

2.3 腐蝕坑形貌分析

對(duì)泄漏彎管外表面的腐蝕坑進(jìn)行清洗,然后對(duì)其形貌進(jìn)行分析,1#腐蝕坑形貌如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可見,該腐蝕坑長度約為9 cm,寬度約為5 cm,其表面呈現(xiàn)銹黃色,腐蝕坑局部物質(zhì)呈深褐色,腐蝕坑是“外大內(nèi)小”的形狀,由此可以判斷腐蝕是由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展形成。將該腐蝕坑放大后觀察到其呈現(xiàn)溝壑狀和階梯狀形貌,具有電化學(xué)腐蝕特征,腐蝕坑底部穿孔處長度為2 939 μm。

圖4 1#腐蝕坑形貌

圖5 1#腐蝕坑放大形貌

用超景深顯微鏡觀察2#腐蝕坑微觀形貌,如圖6所示。從圖6可見,腐蝕坑表面具有棕黃色銹斑,該腐蝕坑最長處約為2 cm。圖7是2#腐蝕坑的3D形貌。從圖7可見,2#腐蝕坑深度為4 188 μm。

圖6 2#腐蝕坑形貌

圖7 2#腐蝕坑3D形貌

3 理化性能試驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》標(biāo)準(zhǔn),用直讀光譜儀對(duì)泄漏彎管直管段與中性區(qū)的管體進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表2。從表2可見,彎管直管段的化學(xué)成分符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.2 拉伸試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)泄漏彎管的直管段、外弧側(cè)及內(nèi)弧側(cè)管體進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果見表3。從表3可見,泄漏彎管直管段、外弧側(cè)及內(nèi)弧側(cè)管體材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.3 夏比沖擊試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 229—2020《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)泄漏彎管的外弧側(cè)及內(nèi)弧側(cè)管體橫向進(jìn)行進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn),結(jié)果見表4。從表4可見,泄漏彎管外弧側(cè)及內(nèi)弧側(cè)管體材料的橫向夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 維氏硬度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第l部分:試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),用維氏硬度計(jì)對(duì)泄漏彎管進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn),結(jié)果見表5。從表5可見,泄漏彎管直段管體、外弧側(cè)管體、內(nèi)弧側(cè)管體以及中性區(qū)管體的維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

3.5 金相分析

依據(jù)GB/T 10561—2005、GB/T 13298—2015和GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn),用激光共聚焦顯微鏡對(duì)泄漏彎管直管段、外弧側(cè)及內(nèi)弧側(cè)管體進(jìn)行金相分析,結(jié)果見表6,金相組織如圖8～圖10所示。從表6可見,泄漏彎管直管段、外弧側(cè)及內(nèi)弧側(cè)管體材料的晶粒度評(píng)定結(jié)果符合SY/T 5257-2012標(biāo)準(zhǔn)要求,組織均為鐵素體+珠光體,非金屬夾雜物分析結(jié)果未見異常。

表6 金相分析結(jié)果

圖8 直管管體金相組織

圖9 內(nèi)弧側(cè)管體金相組織

圖10 外弧側(cè)管體金相組織

3.6 防腐層試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 23257—2017標(biāo)準(zhǔn),在泄漏彎管直管段外表面的防腐層取樣,對(duì)其進(jìn)行防腐層彎曲與耐浸泡試驗(yàn),結(jié)果見表7和表8。從表7和表8可見,泄漏彎管直管段外表面的防腐層彎曲與耐浸泡試驗(yàn)結(jié)果不符合GB/T 23257—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求,其中耐浸泡試驗(yàn)平均翹邊為10.78 mm,最大翹邊為16.83 mm。

表7 防腐層彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表8 防腐層耐浸泡試驗(yàn)結(jié)果

3.7 腐蝕坑分析

3.7.1 腐蝕坑金相分析

用激光共聚焦顯微鏡對(duì)泄漏彎管腐蝕坑試樣進(jìn)行金相分析,腐蝕坑形貌如圖11所示,坑底金相組織如圖12所示。從圖11和圖12可見,腐蝕坑底部金相組織為鐵素體+珠光體。

圖11 腐蝕坑形貌

圖12 腐蝕坑底部金相組織

3.7.2 腐蝕坑電鏡及能譜分析

用掃描電鏡對(duì)腐蝕坑進(jìn)行觀察,并用能譜儀對(duì)腐蝕坑內(nèi)的化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果如圖13和圖14所示。從圖13可見,腐蝕坑形貌呈現(xiàn)溝壑狀和階梯狀,其內(nèi)徑尺寸由外向內(nèi)逐層減小。圖13的腐蝕坑底部及剖面能譜分析結(jié)果表明,腐蝕坑底部主要由C、O、Fe、Si、S、Cr和K等元素組成。

圖13 腐蝕坑微觀形貌

圖14 腐蝕坑底部物質(zhì)能譜分析結(jié)果

3.8 土壤分析

在泄漏彎管所在的現(xiàn)場區(qū)域選取土壤樣品,在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該土壤樣品進(jìn)行分析,結(jié)果見表9。從表9可見,所取的土壤樣品的pH值為8.22,呈堿性。

4 泄漏原因分析

壁厚尺寸測量結(jié)果表明彎管壁厚不符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求,其中腐蝕坑周圍區(qū)域壁厚減薄率為16%。宏觀形貌分析結(jié)果表明,彎管外表面除泄漏區(qū)域外其余區(qū)域未發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡。

理化性能試驗(yàn)結(jié)果表明,泄漏彎管材料的化學(xué)成分、拉伸、夏比沖擊及維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。泄漏彎管材料的金相組織分析結(jié)果表明,彎管的晶粒度評(píng)定結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求,管體組織均為鐵素體+珠光體,非金屬夾雜物分析結(jié)果未見異常。泄漏彎管外表面的防腐層試驗(yàn)結(jié)果表明,彎管直管段防腐層彎曲與耐浸泡試驗(yàn)結(jié)果不符合GB/T 23257—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求,其中耐浸泡試驗(yàn)平均翹邊為10.78 mm,最大翹邊為16.83 mm,由此說明泄漏彎管外表面防腐層因質(zhì)量差而發(fā)生局部破損。

微觀形貌分析結(jié)果表明,腐蝕坑表面呈現(xiàn)銹黃色,局部物質(zhì)呈深褐色,整體呈現(xiàn)“外大內(nèi)小”形狀,由此可以判斷腐蝕孔洞是由彎管外壁向其內(nèi)壁腐蝕擴(kuò)展。腐蝕坑內(nèi)的腐蝕形貌呈現(xiàn)溝壑狀,具有電化學(xué)腐蝕特征,彎管內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡。

由腐蝕坑分析結(jié)果可知,腐蝕坑底部組織未發(fā)現(xiàn)明顯變形。電鏡及能譜分析結(jié)果表明,腐蝕坑底部主要含有C、O、Fe、Si、S、Cr和K等元素。

根據(jù)彎管用戶提供的資料,泄漏彎管外表面的防腐層材料為3PE,陰極保護(hù)方法為犧牲陽極,使用時(shí)間為7 a。根據(jù)上述彎管防腐層試驗(yàn)結(jié)果及腐蝕區(qū)域土壤分析結(jié)果(pH值8.22),判斷腐蝕機(jī)理為氧腐蝕,即當(dāng)彎管外表面防腐層局部破損后,彎管外表面破損處在腐蝕環(huán)境下而發(fā)生了電化學(xué)腐蝕,主要的電化學(xué)反應(yīng)為:

陽極反應(yīng): Fe→Fe2++2e

陰極反應(yīng): H2O+O2+4e→4OH-
H2O→H++OH-2H++e →H2

以上電化學(xué)反應(yīng)生成腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2,但亞鐵離子通常情況下為不穩(wěn)定狀態(tài),遇到氧時(shí)容易氧化成FeOOH和Fe(OH)3:

4Fe2++6H2O+O2→4FeOOH+8H+

4Fe2++8OH-+2H2O+O2→4Fe(OH)3

上述化學(xué)反應(yīng)生成的物質(zhì)進(jìn)行脫水反應(yīng)和氧化反應(yīng)生成Fe3O4和Fe2O3。電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后,在彎管外壁處形成微小的腐蝕坑,腐蝕坑中有腐蝕產(chǎn)物。一般情況下,生成的腐蝕產(chǎn)物FeOOH和Fe3O4都是疏松多孔形態(tài),其與基體附著力差,導(dǎo)致局部區(qū)域腐蝕產(chǎn)物剝落,金屬基體裸露,使彎管外壁重新暴露在含溶解氧的土壤介質(zhì)中,加速了電化學(xué)腐蝕和溶解。微小腐蝕坑不斷地向內(nèi)壁腐蝕擴(kuò)展,同時(shí)隨著腐蝕產(chǎn)物不斷脫落,使腐蝕坑處的彎管壁厚逐漸減小,最終腐蝕坑穿透彎管管壁并使彎管發(fā)生了泄漏[8-10]。

5 結(jié) 論

1)泄漏彎管材料的化學(xué)成分、拉伸、夏比沖擊和維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求,泄漏彎管的壁厚尺寸不符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求,其外表面防腐層的彎曲和耐浸泡試驗(yàn)結(jié)果不符合GB/T 23257—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)泄漏彎管是由于其外表面的3PE防腐層局部破損后彎管外表面與土壤中的溶解氧發(fā)生了電化學(xué)腐蝕,彎管外表面形成微小的腐蝕坑并逐漸向內(nèi)壁腐蝕擴(kuò)展,最終腐蝕坑穿透彎管管壁并使彎管發(fā)生了泄漏。

3)建議對(duì)高壓燃?xì)夤艿乐械匿摴芎蛷澒芏ㄆ谶M(jìn)行漏點(diǎn)檢測與安全評(píng)價(jià),防止類似事故再次發(fā)生。