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瀏覽:- 發(fā)布日期:2024-11-19 10:25:08【

某油田現(xiàn)場(chǎng)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(jī)械損傷痕跡。該輸氣管線于2015年開始服役,運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為8 a。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)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(wèn)題再次發(fā)生[1-2]。 

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  1  穿孔部位宏觀形貌
圖  2  焊縫內(nèi)壁腐蝕后的宏觀形貌

用超聲波測(cè)厚儀對(duì)穿孔管段環(huán)焊縫兩側(cè)進(jìn)行環(huán)向壁厚測(cè)量,環(huán)焊縫每側(cè)的壁厚測(cè)量點(diǎn)為8個(gè),均勻分布于360°環(huán)向管壁上,測(cè)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(wú)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(cè)量結(jié)果
項(xiàng)目 測(cè)點(diǎn)1 測(cè)點(diǎn)2 測(cè)點(diǎn)3 測(cè)點(diǎn)4 測(cè)點(diǎn)5 測(cè)點(diǎn)6 測(cè)點(diǎn)7 測(cè)點(diǎn)8
實(shí)測(cè)值1 5.22 5.20 5.21 5.22 5.21 5.20 5.22 5.21
實(shí)測(cè)值2 5.20 5.21 5.20 5.21 5.20 5.20 5.21 5.20

在穿孔管段管體上取樣,用直讀光譜儀對(duì)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(duì)20鋼的要求。 

Table  2.  管體材料化學(xué)成分分析結(jié)果
項(xiàng)目 質(zhì)量分?jǐn)?shù)
C Si Mn P S Cr
實(shí)測(cè)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

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(yàn)方法》,用激光共聚焦顯微鏡對(duì)管體試樣進(jìn)行觀察,用超景深數(shù)碼顯微鏡對(duì)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(duì)焊接接頭進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn),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(yàn)結(jié)果

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(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),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(yàn)結(jié)果
項(xiàng)目 抗拉強(qiáng)度/MPa 屈服強(qiáng)度/MPa 斷后伸長(zhǎng)率/%
實(shí)測(cè)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(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)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(cè)試結(jié)果
項(xiàng)目 焊縫 熱影響區(qū) 母材
實(shí)測(cè)值 200,190,206 172,162,171 145,147,140
平均值 197 170 145

在管段泄漏部位附近環(huán)焊縫上取樣,用掃描電鏡對(duì)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(duì)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

由金相檢驗(yàn)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(jī)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(duì)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(lái)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(yáng)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(huì)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(guò)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]。 

輸氣管道環(huán)焊縫部位發(fā)生穿孔的原因?yàn)椋何春竿负缚p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(yáng)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(duì)焊接工藝進(jìn)行控制,并進(jìn)行焊后檢驗(yàn),防止出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。



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