L485M 輸氣管道水壓試驗(yàn)泄漏原因分析

聶向暉， 李維星， 韓華剛， 劉永振，豐振軍， 余國(guó)民

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司， 西安 710077； 2. 北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101； 3. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)南山（山東）天然氣有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000；4. 安陽(yáng)中科工程檢測(cè)有限公司， 河南安陽(yáng) 455111）

0 前 言

管道運(yùn)輸是繼公路、 鐵路、 水運(yùn)和航空之后的第五大運(yùn)輸方式， 已有100 多年的發(fā)展歷史，目前全球80%以上的原油及95%以上的天然氣均采用管道運(yùn)輸。 自20 世紀(jì)50 年代新疆克拉瑪依至獨(dú)山子第一條原油管線建成以來(lái)， 我國(guó)管線建設(shè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。 特別是 “十一五” 以來(lái)，油氣管線建設(shè)迅速發(fā)展， 2021 年底我國(guó)油氣管道總里程達(dá)16.5 萬(wàn)km， 全球排名第三， 2025 年我國(guó)長(zhǎng)輸管道總里程預(yù)計(jì)將超24 萬(wàn)km[1-3]。 油氣管道安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生， 管道安全事故會(huì)嚴(yán)重影響下游能源供應(yīng)及沿線人民生命財(cái)產(chǎn)安全。 影響管道安全的因素主要包括自然災(zāi)害、 人為破壞及管道腐蝕， 其中腐蝕的影響最為嚴(yán)重[4-8]。

1 事故概況

某新建天然氣管道在水壓試驗(yàn)過(guò)程中， 當(dāng)壓力升至6.5 MPa 后， 水壓逐漸下降。 現(xiàn)場(chǎng)隨即停止水壓試驗(yàn)并開(kāi)始查找泄漏點(diǎn)， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道泄漏處位于一地勢(shì)低洼的水塘中。 開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)， 管道泄漏發(fā)生在鋼管管體6 點(diǎn)鐘附近部位， 如圖1所示。

該天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為7.5 MPa， 采用L485M 鋼級(jí)Φ813 mm×11.1 mm 3LPE 防腐螺旋縫埋弧焊鋼管， 鋼管于2014 年10 月生產(chǎn)， 現(xiàn)場(chǎng)施工焊接和敷設(shè)時(shí)間為2015 年1 月。 由于其他原因， 管道敷設(shè)后一直未投入使用。

2 外觀檢驗(yàn)

泄漏部位管段去除防腐層后外壁形貌如圖2所示， 鋼管撕裂開(kāi)口長(zhǎng)度約900 mm， 基本沿鋼管軸向擴(kuò)展， 在防腐層保護(hù)下， 鋼管外壁良好，未見(jiàn)明顯的腐蝕跡象。 鋼管內(nèi)部堆積有大量泥沙， 清理后發(fā)現(xiàn)撕裂部位及其附近鋼管內(nèi)壁存在一處長(zhǎng)度約3 000 mm （軸向）、 寬度約700 mm（周向） 的嚴(yán)重腐蝕區(qū)， 如圖3 所示， 該區(qū)域壁厚減薄明顯， 最薄處平均壁厚約6.2 mm。 此外，內(nèi)壁還存在大量的腐蝕坑， 其中最深的腐蝕坑深度約8.1 mm， 如圖4 所示。 鋼管內(nèi)壁其他部位腐蝕較為輕微， 亦未見(jiàn)明顯的腐蝕坑。

3 理化性能試驗(yàn)及腐蝕產(chǎn)物分析

3.1 理化性能試驗(yàn)

查閱該鋼管質(zhì)量證明文件， 其理化性能、壁厚等幾何尺寸均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求， 為了進(jìn)一步驗(yàn)證鋼管的性能指標(biāo)、 分析鋼管泄漏原因，在鋼管未遭受?chē)?yán)重腐蝕的部位處取樣進(jìn)行理化檢驗(yàn)， 包括化學(xué)成分分析、 拉伸試驗(yàn)、 沖擊試驗(yàn)、 落錘撕裂試驗(yàn)、 維氏硬度試驗(yàn)和冷彎試驗(yàn)等。 經(jīng)檢驗(yàn)， 該鋼管的化學(xué)成分及完好部位的管體和焊縫力學(xué)性均能滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)要求，理化性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、 表2。

表1 鋼管管體化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 鋼管力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3.2 腐蝕產(chǎn)物分析

采用VEGA3 TESCAN 掃描電鏡和INCA 360 EDS 能譜儀， 對(duì)鋼管內(nèi)壁蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析， 結(jié)果如圖5 所示。 由分析結(jié)果可以看出， 內(nèi)壁腐蝕坑表面Cl 元素含量均較高， 其余未見(jiàn)異常元素能譜。

采用Bruker D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀， 對(duì)泄漏部位和鋼管管端處的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD 分析， 結(jié)果如圖6 所示。 由XRD 分析結(jié)果可以看出， 兩部位的檢測(cè)結(jié)果基本相同， 腐蝕產(chǎn)物主要包括SiO2及FeO、 Fe2O3、 Fe3O4， 其中SiO2主要來(lái)源于鋼管內(nèi)壁沉積的泥沙， 而鐵的氧化物則為鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物。

在Fe 的腐蝕產(chǎn)物中， FeO 的吉布斯自由能最高， 屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定相， 一般情況下優(yōu)先生成， 其余順次為Fe（OH）2、 γ-FeOOH、 α-FeOOH、 Fe2O3和Fe3O4。 即Fe 基體首先被氧化成Fe2+， 生成FeO 和Fe（OH）2， 然后繼續(xù)被氧化成Fe3+， 生成γ-FeOOH 和α-FeOOH， 最終形成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物Fe2O3和Fe3O4[9]。

4 分析與討論

從圖2 可以看出， 鋼管外壁在防腐層的保護(hù)下未見(jiàn)明顯腐蝕， 腐蝕主要發(fā)生在鋼管內(nèi)壁， 該鋼管泄漏部位位于地勢(shì)低洼的水塘中， 正是管內(nèi)泥、 沙、 水等污物易于積聚的部位， 切管后該部位存在大量的泥沙， 泥沙下形成了一個(gè)700 mm×300 mm 的嚴(yán)重腐蝕區(qū)域。

從圖3、 圖4 可以看出， 管道內(nèi)壁的腐蝕， 既包括全面腐蝕， 又包括局部腐蝕。 金屬管道的腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕， 產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的原因多種多樣， 新舊管道的連接、 不同成分管道的連接、管道金屬物理狀態(tài)不均勻、 金屬表面狀態(tài)差異、金屬表面氧濃度差異等都會(huì)引發(fā)電化學(xué)腐蝕[10-12]。

該腐蝕是典型的土壤腐蝕， 土壤腐蝕是電化學(xué)腐蝕的一種， 其發(fā)生的先決條件是在金屬表面有電解質(zhì)溶液的存在[13]。 土壤是一種復(fù)雜的混合物， 包括有機(jī)物及鹽分等多種物質(zhì)， 含水后其鹽分溶于水， 成為電解質(zhì)溶液， 在金屬表面形成電解質(zhì)薄膜， 薄膜下裸露的金屬表面， 由于電極電位的差異形成許多微小的陰極和陽(yáng)極， 構(gòu)成無(wú)數(shù)個(gè)腐蝕微電池， 一般情況下， 這些腐蝕原電池在金屬表面是隨機(jī)分布的， 并且位置也不斷變化，繼而形成全面腐蝕[14]。

受土壤結(jié)構(gòu)及含水量差異的影響， 在金屬表面不同部位氧含量不同， 形成腐蝕宏電池， 其中透氣良好、 電解液膜較薄的部位氧濃度大， 金屬的電極電位高， 是電化學(xué)腐蝕中的陰極區(qū)， 陰極區(qū)主要發(fā)生O2+H2O+2e-→2OH-還原反應(yīng)， 該部位金屬不發(fā)生腐蝕； 而透氣不良或電解液膜較厚的部位氧濃度小， 金屬電極電位低， 成為電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極區(qū)， 陽(yáng)極發(fā)生Fe→Fe2++2e-溶解反應(yīng)遭受腐蝕[15]。 對(duì)于這種宏電池腐蝕， 其陰極和陽(yáng)極的位置一般是固定的。 在腐蝕過(guò)程中， 陽(yáng)極區(qū)的腐蝕產(chǎn)物沉積在金屬表面， 沉積物內(nèi)部缺氧促進(jìn)了陽(yáng)極過(guò)程的進(jìn)展， 且由于該宏電池具有大陰極、 小陽(yáng)極的特點(diǎn)， 所以沉積物下腐蝕不斷加劇， 二次腐蝕產(chǎn)物（Fe2++2OH-→Fe（OH）2） 和沉積物堆積在一起， 逐步發(fā)展為閉塞電池形成腐蝕坑。 在后續(xù)的腐蝕過(guò)程中， 由于腐蝕坑內(nèi)的自催化作用， 蝕坑內(nèi)電解液的pH 值逐漸下降， 從而形成酸性環(huán)境而加劇了蝕坑的擴(kuò)展。 蝕孔內(nèi)金屬持續(xù)溶解， 使蝕孔內(nèi)Fe2+不斷增加, 為保持電中性， 蝕孔外Cl-等陰離子向孔內(nèi)遷移， 孔內(nèi)Cl-濃度升高， 這樣使蝕坑以自催化的方式發(fā)展， 蝕坑的直徑及深度不斷增加。

從圖3、 圖4 可見(jiàn)， 該管線泄漏部位受土壤腐蝕的影響發(fā)生了明顯的全面腐蝕及局部深坑狀的點(diǎn)蝕， 其中腐蝕嚴(yán)重區(qū)域處的平均壁厚約6.2 mm，內(nèi)壁腐蝕坑最大深度約8.1 mm。 由公式（1） 可以大致計(jì)算不同壁厚的鋼管水壓試驗(yàn)時(shí)的爆破壓力。

式中： P——鋼管承壓水平， MPa；

S——鋼管抗拉強(qiáng)度， 為586 MPa；

t——鋼管壁厚， mm；

D——鋼管外徑， 813 mm。

將鋼管名義壁厚11.1 mm、 腐蝕嚴(yán)重區(qū)域處的平均壁厚6.2 mm 及最深腐蝕坑處剩余壁厚3 mm 分別帶入式 （1）， 計(jì)算不同條件下的鋼管爆破壓力分別為16.0 MPa、 9.2 MPa 和4.3 MPa，表明腐蝕減薄嚴(yán)重影響了鋼管的承載能力。

從上述試驗(yàn)及分析結(jié)果可以看出， 泄漏鋼管的化學(xué)成分、 力學(xué)性能等指標(biāo)滿(mǎn)足鋼管技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。 該管線在水壓試驗(yàn)中開(kāi)裂泄漏的主要原因是施工中未及時(shí)清理或施工后管線未及時(shí)封堵， 導(dǎo)致其內(nèi)部低洼處泥沙的聚集， 其內(nèi)壁發(fā)生土壤腐蝕， 管線內(nèi)壁腐蝕減薄并形成大量的腐蝕坑， 鋼管承載能力下降， 在水壓試驗(yàn)中， 當(dāng)試驗(yàn)壓力大于鋼管承載能力時(shí)， 引起鋼管局部變形， 直至開(kāi)裂泄漏。 此外鋼管內(nèi)壁大量蝕坑的存在， 在水壓試驗(yàn)中產(chǎn)生局部應(yīng)力集中， 也誘發(fā)了裂紋的萌生及擴(kuò)展。

5 結(jié)論與建議

（1） 泄漏鋼管理化檢驗(yàn)結(jié)果表明， 其化學(xué)成分、 力學(xué)性能等指標(biāo)滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

（2） 水壓試驗(yàn)泄漏處位于管線低洼處鋼管6點(diǎn)鐘部位， 易于沉積泥污及水分， 該部位土壤腐蝕嚴(yán)重， 主要表現(xiàn)為全面腐蝕及較深的腐蝕坑。

（3） 該管線水壓試驗(yàn)泄漏的主要原因是管線內(nèi)壁腐蝕減薄， 鋼管承載能力下降， 當(dāng)試驗(yàn)壓力大于鋼管承載能力時(shí)， 鋼管開(kāi)裂泄漏。

（4） 對(duì)于新建管線， 應(yīng)及時(shí)清理內(nèi)部泥污，避免對(duì)鋼管內(nèi)壁造成腐蝕， 對(duì)于建成但未及時(shí)投入使用的管線， 內(nèi)部清理干燥后對(duì)管線進(jìn)行封堵， 避免泥土及水分進(jìn)入管線內(nèi)部導(dǎo)致其腐蝕。