輸氣管道彎管開裂的原因分析

, ,

(華電電力科學研究院,杭州 310030)

管道輸送是天然氣運輸中最便捷、經濟、可靠的方式。由于20鋼價格低廉，具有一定的常溫和中高溫強度，較好的塑性和韌性，良好的冷熱成型和焊接性能，因此在油氣集輸支線、熱采鍋爐煉化裝置中廣泛應用。然而,當天然氣中含有較高的H2S時20鋼管道發生泄漏事故的概率較高，且此類事故危險性大，易引起火災爆炸，造成人身傷亡和重大財產損失。所以對發生泄漏的輸氣管道進行深入的失效分析具有重要意義[1-2]。

某采氣廠作業區發生輸氣量異常現象，但輸氣壓力正常，檢查后發現支線發生泄漏。對泄漏管道進行開挖，發現熱煨彎管內側靠地面部分存在一條枝狀裂紋，裂紋整體長約200 mm，分枝部分長約40 mm，如圖1所示。該站于1999年建成投產，目前管轄6口氣井，日最大生產能力9.6×104m3/d，管線規格φ159 mm×6 mm×7.242 km，管線材料為20鋼，防腐蝕層類型為環氧粉末。管線整體埋在地下，最淺埋深0.92 m、最深埋深1.6 m、沿線無裸露點。本工作對開裂管樣進行理化性能檢驗，組織分析，找出其開裂原因。

圖1 失效管道宏觀形貌Fig. 1 Macrograph of the failure pipe

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀分析

對失效管道進行壁厚測量，結果表明：內弧側平均厚度比外弧側厚0.4 mm，并且裂紋出現的位置是彎管內弧側管壁較厚的地方。失效彎管的壁厚分布特點符合彎管制造的壁厚特征，未見明顯的壁厚異常。

利用三維掃描測量儀對彎管內壁腐蝕狀態進行了測量，發現：內弧側有大量的腐蝕坑，而外弧側相對較少，如圖2所示。腐蝕坑的統計結果顯示：彎管內壁共有1 575個腐蝕坑，其中靠近彎管內側，即宏觀裂紋出現一側腐蝕坑的數量多達1 249個。由此可以判斷，內弧側是腐蝕最為嚴重的部位。從內弧側取樣，觀察及測量腐蝕坑形貌及尺寸，結果見圖3。從圖3可以看出，除了面積較大的腐蝕坑呈現尖銳狀外，還有一定量的小腐蝕坑，腐蝕坑的深度為25～50 μm。

圖2 失效彎管內壁腐蝕孔洞統計Fig. 2 The statistics of corrosion pits in the inner wall of failure elbow

(a) 大腐蝕坑

(b) 小腐蝕坑圖3 失效彎管內壁腐蝕坑形貌Fig. 3 Microstructure of corrosion pits in the inner wall of failure elbow

1.2 化學成分分析

采用等離子體光譜儀，依據標準ASTM E1019-2008《鋼、鐵、鎳和鈷合金中碳、硫、氮和氧含量測定的標準試驗方法》，對彎管的化學成分進行分析，分析結果如表1所示。由表1可以看到，該彎管的化學成分符合標準規定的20鋼成分要求。

表1 失效彎管的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of failure elbow (mass) %

1.3 力學性能分析

從彎管的直管段處軸向取三個拉伸試樣，利用MTS液壓伺服試驗機對所取試樣進行拉伸試驗，從拉伸試樣的斷裂位置及斷口特征來看，該彎管具有正常的拉伸性能，測量結果如表2所示。

表2 失效彎管的拉伸性能Tab. 2 Tensile properties of failure elbow

在該段管上取5 mm×10 mm的沖擊試樣進行室溫沖擊試驗，結果如表3所示。從沖擊吸收能來看，彎管材料具有良好的室溫沖擊韌性。

表3 失效彎管的沖擊性能Tab. 3 Impact property of failure elbow

1.4 硬度分析

在開裂部位附近取2個試樣，在橫截面進行顯微硬度試驗。10個硬度測試點沿厚度方向從外壁向內壁分布，結果見表4。從表4中可以看出，裂紋附近的硬度較高，最高達507 HV。

表4 失效彎管的顯微硬度Tab. 4 Micro hardness of failure elbow HV

1.5 金相分析

從彎管內弧側截取金相試樣，進行微觀組織分析。圖4為彎管的典型組織，可以看出，此彎管的顯微組織為回火馬氏體，其中部分馬氏體組織比較粗大，并含有未回火馬氏體組織。

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 失效彎管的顯微組織Fig. 4 Microstructure of failure elbow at low (a) and high (b) magnifications

1.6 斷口分析

在彎管上截取整條裂紋，裂紋的宏觀斷口形貌見圖5。宏觀斷口可分為兩個區域，一是黑色或灰黑色的區域，二是紅褐色的區域。由此可以推斷，黑色或灰黑色的區域為裂紋擴展區，而紅褐色的區域可能是瞬斷區。將圖5中的位置1處放大，可以看到半徑約為1 mm的半圓形區域，該區域顏色較深，其周圍呈放射狀的溝壑，為裂紋起源處。

圖5 裂紋的宏觀斷口形貌Fig. 5 Macrographs of the fracture along the crack

采用掃描電鏡對圖5中1，2位置的斷口進行微觀形貌觀察,結果見圖6和圖7。從圖6(a)可以看到：腐蝕是從彎管內壁開始，并且有多處起源。在斷口表面可以看到“泥狀花樣”腐蝕產物，腐蝕形成的 膜較厚，如圖6(b)所示。從圖7(a)可以看到：斷口分為裂紋擴展區和臺階狀的瞬斷區，瞬斷區一般為快速撕裂破壞，顯示出基體材料的特性。圖7(b)是裂紋擴展區的高倍形貌，同1號位置相同，斷口上覆蓋著厚厚的腐蝕產物。

(a) 低倍

(b) 高倍圖6 圖5中位置1處的微觀斷口形貌Fig. 6 Micro-morphology of the position 1 in fracture inFigture 5 at low (a) and high (b) magnifications

(a) 低倍

(b) 高倍圖7 圖5中位置2處的微觀斷口形貌Fig. 7 Micro-morphology of the position 2 in fracture inFigture 5 at low (a) and high (b) magnifications

裂紋斷口分析結果表明：該裂紋具有明顯的多源特征，裂紋擴展區表面被厚厚的腐蝕產物所覆蓋，由此可以推斷，該裂紋的形成與腐蝕介質的參與不無關系。

1.7 裂紋擴展路徑分析

為了了解裂紋擴展路徑，對裂紋尖端部分(圖5中位置2處)進行了裂紋金相分析，結果見圖8。主裂紋擴展路徑多出現在粗大回火馬氏體組織區域，呈現出彎曲擴展形貌，見圖8(a)。在主裂紋旁伴隨著一定量的二次裂紋，見圖8(b)。從裂紋的形態上觀察，這種裂紋具有明顯的應力腐蝕裂紋特點。

2 分析及討論

從裂紋斷口形貌、裂紋金相等特點可以看出:該裂紋具有應力腐蝕裂紋的特征[3]。管輸天然氣中不可避免含有H2S和水分，且H2S含量有時偏高，當H2S的質量濃度大于NACE規定了的臨界值50 μg/L時，漏點發生硫化物應力腐蝕開裂的條件[4]。

(a) 主裂紋

(b) 次生裂紋圖8 裂紋微觀形態Fig. 8 The microstructure of the cracks: (a) the main crack; (b) secondary cracks

從表5可以看出:該采氣站天然氣中的H2S質量濃度達到4.78 mg/L，遠超過硫化物應力腐蝕開裂的臨界值;同時天然氣中含有較多的水。二者的聯合出現，必然在管內形成濕H2S環境，含H2S的水成為管道金屬的腐蝕介質。同時彎管處存在管道內壓力。在三者的共同作用下，彎管發生應力腐蝕破壞。

表5 采氣站氣體數據Tab. 5 The data of gas in the gas production station

彎管拉伸和沖擊試驗結果表明，該彎管具有良好的強韌性。裂紋附近的硬度測試結果表明，彎管具有較高的硬度，試驗檢測的最高硬度為507 HV。當硬度大于20～23 HRC或248 HV，具備硫化物應力腐蝕開裂的條件。

化學成分分析表明，彎管的化學成分雖然符合標準規定的20鋼的成分范圍，但其碳、錳、硅等含量均接近于20鋼的上限，導致該鋼的淬火傾向增大，在彎管制作的過程中，易形成大量馬氏體組織。雖然彎管經過了回火處理，但得到的回火馬氏體組織不完全，導致含有未回火馬氏體或者馬氏體組織比較粗大。

微觀組織分析表明，彎管的組織為回火馬氏體，其中部分馬氏體組織比較粗大，并含有未回火馬氏體組織。粗大的回火馬氏體組織會導致殘余應力釋放不充分，是彎管硬度高的主要原因。未回火馬氏體和粗大回火馬氏體組織是一種對硫化物介質十分敏感的組織[5]。結合裂紋形貌、裂紋金相分析結果可知，該裂紋具有明顯的硫化物應力腐蝕裂紋特征。因此,該彎管產生裂紋的原因屬于應力腐蝕開裂。由此看來，未回火馬氏體和粗大回火馬氏體組織的存在是裂紋產生的直接內因，而濕H2S介質是重要外因。彎管發生硫化物應力腐蝕開裂的機理見式(1)～(3)[5]。

水溶液中的H2S首先發生解離

(1)

20鋼發生腐蝕，其陽極反應為

(2)

陰極反應為

(3)

金屬的陽極溶解會引起裂紋并擴展，而反應生成的氫會部分侵入鋼中引起局部應力集中而加速裂紋擴展。

在服役過程中，彎管外弧側內壁處氣體流速較快，因而液體介質很難在該部位停留；而內弧側內壁處氣體流速相對較慢，甚至會產生氣體紊流，有利于H2S介質的停留，所以內弧側易于發生腐蝕，內弧側腐蝕程度較外弧側嚴重。

3 結論

(1) 該彎管發生了嚴重的點腐蝕，彎管內弧側腐蝕坑密集，腐蝕坑尺寸為25～50 μm。

(2) 彎管開裂屬于硫化物應力腐蝕破裂，具有多源開裂特征。金屬的陽極溶解引起開裂并擴展，而鋼中的氫會導致局部應力集中,從而加速裂紋擴展并形成微裂紋，微裂紋連通后在應力腐蝕嚴重部位形成宏觀裂紋，隨后宏觀裂紋不斷擴展，最終形成穿透斷裂。

(3) 應力腐蝕裂紋產生的根本原因是管內濕H2S氣體、以及未回火馬氏體和粗大的馬氏體組織的存在。