油氣輸送用彎管失效原因及典型案例分析

仝　珂，謝學東，李　亮，朱麗霞，何小東

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077)

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油氣輸送用彎管失效原因及典型案例分析

仝珂，謝學東，李亮，朱麗霞，何小東

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安710077)

摘要:基于失效控制技術，統計分析了2000年～2015年由石油管工程技術研究院完成的彎管失效分析案例，并介紹了幾起典型的彎管失效事故案例。油氣輸送用彎管失效原因有三大類:熱煨工藝不當、原材料缺陷及服役環境。失效原因不同，防治重點也不同。主要防治措施有:改進彎管制造工藝，加強現場管理和質量控制;加強母管入廠及彎管出廠前的無損檢測工作;定期檢查服役彎管的壁厚減薄情況等。

關鍵詞:彎管;失效分析;失效原因;典型案例

0　引言

管道運輸作為五大運輸方式之一，在油氣輸送中發揮著越來越大的作用。我國油氣管道在“十一五”和“十二五”期間發展迅速，建成了西氣東輸(二線、三線)、中亞管線(B線、C線)、中緬管線、陜京三線等油氣戰略通道。同時，中俄管線、新粵浙管線等重點管道工程已經在積極籌劃之中。此外，油田集輸管網和城市燃氣管網的管道長度約幾十萬千米，也是油氣管道的重要組成部分。

油氣管道會因外部干擾、管材、腐蝕和施工質量等因素發生失效事故，導致火災、爆炸、中毒，進而可能造成重大人員傷亡、經濟損失及環境污染［1］。其中，彎管作為油氣輸送管道的關鍵組成部分，往往承受更復雜的應力和苛刻的工況，彎管的失效風險因而隨之增加［2］。因此，為了保障油氣管道的安全可靠運行，需要特別關注彎管的失效控制。

失效控制是從技術層面保障油氣管道安全運行的重要措施之一，主要是對油氣管道的失效模式、失效原因和機理進行診斷，研究提出控制失效的措施。目前，我國失效控制意識相對比較淡薄。失效控制與完整性管理是并重的，將兩者綜合起來，可以最大限度地杜絕惡性事故的發生，全方位保障油氣管道的安全運行［3］。因此，本文基于失效控制技術，分析了在2000～2015年由石油管工程技術研究院完成的彎管失效分析案例，對其失效原因進行了分類，為油氣管道的安全運行提供一定參考。

1　彎管常見失效原因

筆者統計分析了石油管工程技術研究院在2000～2015年間完成的彎管失效分析案例，主要涉及西氣東輸管道、成品油管道、南海荔灣項目、油田井下壓裂高壓管件與油田內部管網等。發現油氣輸送用彎管的常見失效原因有三大類:熱煨工藝不當、原材料缺陷及服役環境，如圖1所示。具體失效原因歸類及數量統計見表1及圖2。由表1及圖2可見:因服役環境造成的失效事故共14起，主要失效原因為表面腐蝕、沖蝕。因熱煨工藝不當所造成的失效事故有12起。彎管母管存在大型夾雜物造成的失效事故有8起，也占據不小比例。

圖1　油氣輸送用彎管常見失效原因

表1　2000年～2015年油氣輸送用彎管失效原因及數量統計分析

圖2　2000～2015年油氣輸送用彎管常見失效原因統計圖

2　彎管失效事故的典型案例

2.1熱煨工藝不當造成的管體組織異常

2014年8月23日，國內某油田公司服役的哈6聯外輸氣管線用Φ273 mm×9 mm L360NB感應加熱彎管突然發生爆裂。彎管外弧側中間部位爆裂開近1 200 mm的大孔，從中間分為兩部分，一個爆裂片已飛走，另一片只有一邊與彎管相連，如圖3所示。

試驗分析后發現，彎管并未受到機械損傷及環境腐蝕。但是彎管的外弧側力學性能不符合標準要求。其中，外弧側的屈服強度遠超出標準要求的上限，伸長率因過小而不合格;同時，外弧側的夏比沖擊值也嚴重不符合標準要求。進一步對斷口進行組織及裂紋分析后表明，彎管起裂處組織全部為脆性的馬氏體組織如見圖4所示。其產生的主要原因是在彎管制造過程中，由于其橫截面加熱溫度分布不均勻，彎曲段外弧側加熱溫度高，而冷速又過快，導致外弧側出現了高強度、低韌性的馬氏體組織，屬于彎管熱煨制工藝不當。彎管在制造中由于熱處理過程和彎曲壓力的不穩定，可能在彎管外弧側產生微裂紋，這些微裂紋可在一定彎管內壓力作用下發生脆性裂紋擴展，最終發生斷裂或管線的爆裂。

圖3　彎管爆裂失效后照片

圖4　彎管斷口附近金相組織

2.2銅污染(銅脆)

2011年11月，在對某深水油氣田項目用Φ762 mm ×31.8 mm X70感應加熱彎管進行外防腐時，發現其中一件彎管外弧側存在開裂現象。裂紋分布在19 mm×25 mm區域內，宏觀照片見圖5所示。

經失效研究分析，彎管的化學成分、夏比沖擊及硬度等試驗結果符合產品標準要求，而外弧側管體拉伸強度不符合標準要求。在對彎管的裂紋分析后發現，裂紋內存在黃色金屬物質，裂紋擴展沿晶界分布。結合掃描電鏡能譜分析顯示，裂紋內黃色金屬物質為銅元素，如圖6～圖7所示。彎管的這種失效原因一般稱為銅污染(或銅脆)，產生原因是在彎管感應加熱煨制過程中，因工藝不當使鋼管受到銅污染，在高溫下銅不能固溶于鋼中，鋼與鐵形成低熔點共晶物存在鋼中晶粒邊界，使管材的強度和延展性降低。彎管在制造過程中承受了拉應力而發生了銅脆開裂［4］。

圖5　彎管開裂區域宏觀形貌

圖6　彎管外弧側裂紋及裂紋內黃色金屬物質

圖7　彎管外弧側裂紋內黃色金屬物質(圖6　放大)

2.3大型夾雜(或夾渣)

2015年6月，中石化某成品油管線在管道使用前進行水壓實驗時，規格為Φ457 mm×9.5 mm L415MB的感應加熱彎管外弧側發生泄漏。彎管泄漏處有一條沿縱向長度約為23 mm的裂紋，沿橫向由許多細小的裂紋組成裂紋群，裂紋群長度約為100 mm，如圖8所示。對彎管開裂部分進行解剖分析，發現位于彎曲段外弧側的泄漏部位有橫向、縱向裂紋及鑲嵌于內部的異物存在(圖9～圖10)，且裂紋邊緣局部有脫碳現象(圖11)。塊狀異物來源于鋼坯中的夾渣，鋼坯中一旦存在夾雜，就會破壞材料的連續性，并形成局部應力集中，在隨后的板卷軋制、制管及熱煨等型變加工中，夾渣就會成為彎管開裂的裂紋源，帶有裂紋的彎管在后續的現場水壓試驗過程中，在內壓及應力集中的共同作用下，裂紋進一步擴展，從而導致泄漏。

圖8　彎管表面橫向及縱向裂紋

圖9　彎管開裂處試樣剖面的缺陷形貌

圖10　裂紋及裂紋內非金屬夾渣形貌

圖11　裂紋及周圍組織(裂紋附近存在脫碳)

2.4沖蝕磨損

2013年5月，中石油某井下作業公司在施工前試壓時，管匯車尾部最后一件高壓彎管發生爆裂。宏觀照片如圖12所示。沿彎管爆裂口剖開發現，彎管外弧側壁厚減薄嚴重，局部區域壁厚僅剩余1.7 mm(原壁厚為28mm)，而內弧側壁厚未見減薄，如圖13所示。對彎管內壁凹坑觀察分析后發現，凹坑具有明顯的沖蝕痕跡，可以確定彎管內壁凹坑為壓裂液沖蝕產生的沖蝕坑。彎管沖蝕是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或角度對彎管材料表面進行沖擊所造成的一種材料損耗現象或過程，沖蝕有時也稱為沖蝕磨損。影響彎管沖蝕磨損的因素主要有壓裂液成分、使用因素和材料性能等方面。高壓彎管是壓裂高壓管匯中的重要組成部分，由于其結構的特殊性，它更容易遭受壓裂液的沖刷腐蝕，彎管的沖蝕磨損比直管部分的磨損大約嚴重50倍。

圖13　沿爆裂口剖開彎管內壁形貌

2.5內表面腐蝕與沖蝕

2008年，某油田用油氣、混輸集輸管Φ168 mm×13 mm 16Mn埋地彎頭，使用5個多月彎頭底部開始出現穿孔、爆裂，大修后不久該處彎頭又發生爆管，不得不對其進行了更換。對該失效彎頭進行了分析后發現，失效原因主要由輸送介質中的CO2腐蝕作用所產生的，其腐蝕產物主要是FeCO3如圖14～圖15所示。該彎管頂端內表面的腐蝕溝槽，主要是腐蝕介質和高速氣液夾雜固體顆粒沖刷作用所形成;該彎管腐蝕溝槽底部的裂紋是在腐蝕介質和流體所產生的剪切應力形成的，最后在彎管底部刺穿。

3　結論與建議

1)彎管失效原因主要有三大類:熱煨工藝不當、原材料缺陷及服役環境。

2)對于熱煨工藝不當引起的管體組織異常，建議彎管在熱煨制過程中改進生產工藝，嚴格執行制造工藝規范，確保彎管各項性能指標符合相關標準和技術規格書要求;對于銅污染，建議在彎管制造過程中，加強現場管理，杜絕母管與銅合金或者其他低熔點金屬接觸。

圖14　彎頭腐蝕坑底部裂紋及周圍組織

圖15　彎頭底部腐蝕產物X射線衍射分析結果

3)對于原材料缺陷，建議加強彎管母管入廠、彎管出廠前的無損檢測工作，防止有缺陷的母管進廠、有裂紋的彎管出廠。

4)對于因服役環境造成的失效，建議應定期采取有效的無損檢測方法(如超聲波檢測技術)檢查彎管壁厚減薄狀況;其次在油氣進入管線前可進行脫水和雜質處理，防止水分及固體顆粒(砂礫)隨油氣進入管線對其腐蝕和沖擊的影響;另外可采用耐蝕性能較好的彎管。

5)為加強彎管的安全管理，應重視失效分析工作。現場可通過便攜式硬度計、金相、化學成分等檢測，確定管件是否存在問題。當不影響搶修，可取下樣品及時送往第三方專業機構進行失效分析工作，以便總結分析事故原因。

參考文獻

［1］楊鋒平，羅金恒，張良，等.油氣輸送管失效案例與原因分析［C］/ / 2015管線鋼國際會議論文集.西安:石油管工程技術研究院，2015: 71－77.

［2］仝珂，韓新利，何小東，等.X80級感應加熱彎管性能及靜水壓爆破試驗分析［J］.焊管，2010，33(11): 22－27.

［3］李鶴林.油氣管道失效控制技術［J］.油氣儲運，2011，30(6): 401－410..

［4］李平全.油氣輸送管道失效事故及典型案例［J］.焊管，2005，28(4): 76－84.

Failure Cause and Typical Case Analysis of Bending Pipe Used in Oil and Gas Transmission

TONG Ke，XIE Xuedong，Li Liang，ZHU Lixia，HE Xiaodong
(CNPC Tubular Goods Research Institute，State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:The cases of bending pipe failure performed by TGRI from 2000 to 2015 were statistically analyzed based on the failure control technology.Some typical cases were introduced.There are three types failure reasons of bending pipe used in oil and gas transmission，improper heat-bending process，raw material defects and service environment.Failure prevention methods are different due to different failures causes.The main prevention measures are improving the manufacturing process of the bending pipe，enhancing on－site management and quality control; strengthening the NDT before mother pipe into the factory and bending pipe delivery，and checking the wall thickness thinning of service pipe bending pipe.

Key words:bending pipe; failure analysis; failure cause; typical case

(收稿日期:2015－11－05編輯:屈憶欣)

第一作者簡介:仝珂，男，1983年生，工程師，2008年畢業于西北工業大學材料學院獲碩士學位，目前從事油氣輸送管材失效分析及顯微組織和材料性能研究。E-mail: tongk@ cnpc.com.cn

中圖法分類號:TG157

文獻標識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0046－04