圖 1 穿孔部位宏觀形貌
分享：20鋼輸氣管道穿孔原因
某油田現(xiàn)場輸氣管道環(huán)焊縫部位發(fā)生穿孔現(xiàn)象,孔洞直徑約為30 mm,焊縫附近外壁有機械損傷痕跡。該輸氣管線于2015年開始服役,運行時長為8 a。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該管線環(huán)焊縫部位穿孔的原因,以避免該類問題再次發(fā)生[1-2]。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
輸氣管道穿孔部位的宏觀形貌如圖1所示,焊縫內(nèi)壁腐蝕后的宏觀形貌如圖2所示。由圖1,2可知：該輸氣管道泄漏位置為管道下部,腐蝕產(chǎn)物較為密集,顏色呈紅棕色,焊縫內(nèi)壁存在明顯的未焊透現(xiàn)象。
圖 2 焊縫內(nèi)壁腐蝕后的宏觀形貌
1.2 壁厚測量
用超聲波測厚儀對穿孔管段環(huán)焊縫兩側(cè)進(jìn)行環(huán)向壁厚測量,環(huán)焊縫每側(cè)的壁厚測量點為8個,均勻分布于360°環(huán)向管壁上,測量結(jié)果如表1所示。由表1可知：環(huán)焊縫兩側(cè)管子壁厚的平均值為5.20~5.21 mm,厚度偏差在GB/T 8163—2008 《輸送流體用無縫鋼管》規(guī)定的范圍內(nèi),符合供貨條件。
Table 1. 穿孔管段壁厚測量結(jié)果
| 項目 | 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | 測點6 | 測點7 | 測點8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 實測值1 | 5.22 | 5.20 | 5.21 | 5.22 | 5.21 | 5.20 | 5.22 | 5.21 |
| 實測值2 | 5.20 | 5.21 | 5.20 | 5.21 | 5.20 | 5.20 | 5.21 | 5.20 |
1.3 化學(xué)成分分析
在穿孔管段管體上取樣,用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知：管體材料的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對20鋼的要求。
Table 2. 管體材料化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | |
| 實測值 | 0.17 | 0.24 | 0.42 | 0.019 | 0.010 | 0.041 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.17~0.23 | 0.17~0.37 | 0.35~0.65 | <0.035 | <0.035 | <0.25 |
1.4 金相檢驗
在穿孔管段管體以及環(huán)焊縫穿孔部位附近取樣,依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》,用激光共聚焦顯微鏡對管體試樣進(jìn)行觀察,用超景深數(shù)碼顯微鏡對環(huán)焊縫試樣進(jìn)行觀察。管體試樣的顯微組織形貌如圖3所示,可以看出管體試樣的組織為鐵素體+珠光體。環(huán)焊縫試樣的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：環(huán)焊縫的組織為鐵素體、珠光體+鐵素體,屬于20管線鋼的正常組織。
圖 3 管體試樣顯微組織形貌
圖 4 環(huán)焊縫試樣顯微組織形貌
用光學(xué)顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對焊接接頭進(jìn)行低倍組織檢驗,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：焊接接頭橫截面環(huán)焊縫可見未焊透缺陷和內(nèi)腐蝕痕跡；穿孔部位兩側(cè)的組織為針狀鐵素體+貝氏體。
圖 5 焊接接頭的低倍組織檢驗結(jié)果
1.5 力學(xué)性能測試
在穿孔管段管體上截取縱向拉伸試樣,依據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》,用材料試驗機對試樣進(jìn)行拉伸試驗,結(jié)果如表3所示。由表3可知：管體的拉伸性能符合GB/T 8163—2008的要求。
Table 3. 穿孔管段管體的拉伸試驗結(jié)果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 斷后伸長率/% |
|---|---|---|---|
| 實測值 | 453,457,435 | 319,326,299 | 38.0,36.5,23.5 |
| 平均值 | 448 | 315 | 33 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | ≥410 | ≥245 | ≥20 |
在穿孔管段的焊縫、熱影響區(qū)和母材上取樣,依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對試樣進(jìn)行維氏硬度測試,結(jié)果如表4所示。
Table 4. 焊縫、熱影響區(qū)和母材維氏硬度測試結(jié)果
| 項目 | 焊縫 | 熱影響區(qū) | 母材 |
|---|---|---|---|
| 實測值 | 200,190,206 | 172,162,171 | 145,147,140 |
| 平均值 | 197 | 170 | 145 |
1.6 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
在管段泄漏部位附近環(huán)焊縫上取樣,用掃描電鏡對環(huán)焊縫內(nèi)表面進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：焊縫存在未焊透痕跡。
圖 6 管段泄漏部位附近環(huán)焊縫內(nèi)表面 SEM形貌及能譜分析位置
對環(huán)焊縫內(nèi)表面泄漏部位附近進(jìn)行能譜分析,分析位置如圖6c),6d)所示,分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：環(huán)焊縫內(nèi)表面泄漏部位附近附著物主要成分是硅的化合物、鋁的化合物、鐵氧化物、氯化物等沉積物與腐蝕產(chǎn)物。
圖 7 環(huán)焊縫內(nèi)表面泄漏部位附近能譜分析結(jié)果
2. 綜合分析
由金相檢驗結(jié)果可知：管體材料的組織均為鐵素體+珠光體,焊縫熔合區(qū)組織為針狀鐵素體+鐵素體+貝氏體,環(huán)焊縫熱影響區(qū)組織為鐵素體、珠光體+鐵素體,均屬于正常組織；環(huán)焊縫可見未焊透和內(nèi)腐蝕痕跡,焊縫附近有機械損傷痕跡。管體材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
未焊透的焊縫與固體沉積物形成縫隙,極易發(fā)生沉積物縫隙腐蝕。對現(xiàn)場工況進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場管道中輸送的介質(zhì)是含水天然氣,介質(zhì)屬于酸性流體,介質(zhì)中夾帶有固體細(xì)顆粒,固體細(xì)顆粒沉積后與焊縫內(nèi)表面形成縫隙,存在縫隙腐蝕現(xiàn)象。
縫隙腐蝕形成條件為縫隙寬度一般不大于0.1 mm,并且有介質(zhì)在縫隙中?？p隙腐蝕發(fā)生在金屬和合金中,容易鈍化的金屬和合金更易引起腐蝕,腐蝕介質(zhì)包括酸性、中性和淡水介質(zhì),介質(zhì)中含有Cl－ ,更容易引起腐蝕。腐蝕過程為：縫隙內(nèi)逐漸缺氧階段,前期縫隙寬度較大,發(fā)生吸氧腐蝕,對水中溶解氧進(jìn)行消耗,隨著腐蝕產(chǎn)物的增多,縫隙寬度越來越小,引起縫隙內(nèi)缺氧,縫隙內(nèi)外構(gòu)成氧濃度差電池,其中陽極為縫隙內(nèi)部金屬表面,陰極為縫隙外部自由表面；Cl－ 遷移進(jìn)入、溶液pH下降,隨著縫隙內(nèi)缺氧階段的持續(xù)進(jìn)行,金屬Fe在縫隙內(nèi)部持續(xù)溶解,引起縫內(nèi)溶液中Fe2+濃度升高,為了使得電荷平衡,縫隙外部的陰離子就會遷移進(jìn)入縫隙內(nèi)部,縫隙內(nèi)前期已經(jīng)形成的氯化物與硫酸鹽等金屬鹽類發(fā)生水解反應(yīng)；隨著水解反應(yīng)的不斷進(jìn)行,縫隙內(nèi)pH持續(xù)下降,pH下降促進(jìn)了縫隙內(nèi)金屬Fe溶解,相應(yīng)的縫隙外部臨近表面的氧還原速率變快,加劇了縫隙內(nèi)金屬的腐蝕。
通過上述分析可知,環(huán)焊縫內(nèi)壁泄漏部位附近表面物質(zhì)主要成分為Fe3O4、FeCl2以及Fe(OH)2,與能譜分析結(jié)果基本一致。天然氣夾帶的固體顆粒沉積后與未焊透焊縫內(nèi)表面構(gòu)成縫隙,在含水酸性介質(zhì)作用下發(fā)生縫隙腐蝕[3-4]。
3. 結(jié)論及建議
輸氣管道環(huán)焊縫部位發(fā)生穿孔的原因為：未焊透焊縫與天然氣中的固體沉積物構(gòu)成縫隙,在含水酸性介質(zhì)作用下發(fā)生縫隙腐蝕,焊縫陽極溶解,導(dǎo)致管道發(fā)生腐蝕穿孔。
建議定期清洗管道,避免結(jié)垢；對焊接工藝進(jìn)行控制,并進(jìn)行焊后檢驗,防止出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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