某氣田埋地管線不銹鋼直角彎頭開裂原因

李仕力,羅艷龍,林 楠,王海濤

(中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100013)

近年來,隨著酸性油氣田不斷被大量開采,天然氣埋地集輸管道內(nèi)腐蝕問題越來越嚴峻。彎頭、三通、法蘭盤和變徑接頭等作為集輸管道系統(tǒng)中重要的管路接點,其介質(zhì)流場、溫度、壓力、架構(gòu)應力、熱應力、組織和殘余應力等因素均容易引起管道的腐蝕失效問題,從而造成安全事故[1-3]。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的力學性能、耐蝕性和焊接性能,被廣泛用于石油化工領(lǐng)域,尤其是存在嚴重腐蝕問題的集輸管道系統(tǒng)[4-5]。

然而,奧氏體不銹鋼的腐蝕失效問題仍無法避免。除了全面腐蝕等一般的失效形式外,應力腐蝕開裂(SCC)是奧氏體不銹鋼最常見的失效模式之一。材料的應力腐蝕開裂往往是在拉應力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的[6-9],集輸管道系統(tǒng)中Cl-,CO2和H2S含量均較高,極易引起管道的應力腐蝕開裂[10-15]。在實際生產(chǎn)中,直角彎頭鍛件往往存在較高的加工殘余應力和焊接殘余應力,這會使其發(fā)生嚴重的腐蝕開裂問題。

某氣田集氣站進站閥組進站至加熱爐埋地管線的直角彎頭發(fā)生開裂,當天運行壓力為20.5 MPa。該管線全長0.81 km,公稱直徑為89 mm,壁厚為13 mm,管道材料為20號鋼,設(shè)計壓力為30 MPa,設(shè)計溫度為20 ℃。如圖1所示,直角彎頭為不銹鋼鍛件,材料 為00Cr17Ni14Mo2 鋼(即316L 不 銹鋼)。

圖1 開裂直角彎頭的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked right angle elbow

為明確直角彎頭的開裂原因,本工作對該開裂直角彎頭進行了一系列的理化檢驗,以期避免該類問題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

分別對直角彎頭內(nèi)、外表面進行滲透檢測,以確定裂紋位置。如圖2所示,直角彎頭內(nèi)、外表面均有裂紋,外表面裂紋位于彎頭直角端面,內(nèi)表面裂紋位于直角彎頭兩個孔道的交匯線處。

圖2 開裂直角彎頭內(nèi)、外表面的滲透檢測結(jié)果Fig.2 Penetrant testing results of outer surface (a)and inner surface (b) of cracked right angle elbow

1.2 化學成分和服役環(huán)境分析

在開裂直角彎頭上截取試樣,采用直讀光譜儀分析其化學成分,結(jié)果見表1,該直角彎頭的化學成分符合316L不銹鋼的成分要求。

表1 開裂直角彎頭的化學成分Tab.1 Chemical composition of failed elbow %

對管道內(nèi)的輸送介質(zhì)組分進行分析,結(jié)果見表2,二氧化碳質(zhì)量分數(shù)為4.39%,直角彎頭內(nèi)表面未見CO2腐蝕形貌。管道敷設(shè)土壤的理化分析結(jié)果見表3,其pH 為7。

表2 輸送介質(zhì)組分的檢測結(jié)果Tab.2 Test results of conveying medium components

表3 敷設(shè)土壤的主要離子含量及理化參數(shù)Tab.3 Main ion content and physical and chemical parameters of laying soil mg/L

1.3 金相檢驗

在直角彎頭外表面裂紋中部截取試樣,觀察其外表面和截面裂紋的微觀形貌。由圖3可見:直角彎頭共有一條裂紋,裂紋貫穿整個管壁;裂紋萌生于直角彎頭外表面,并逐漸向內(nèi)表面擴展;由外表面至內(nèi)表面,裂紋寬度逐漸變窄;在裂紋向內(nèi)表面擴展過程中產(chǎn)生許多分支裂紋;外表面裂紋整體呈樹枝狀形貌,為典型的應力腐蝕裂紋的形貌特征[16-19]。

圖3 開裂直角彎頭外表面和截面裂紋的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of cracks on outer surface (a) and cross-section (b) of cracked right angle elbow

由圖4可見:開裂直角彎頭基體組織為等軸奧氏體;外表面和截面裂紋均沿晶粒內(nèi)部擴展,呈典型的穿晶斷裂形貌;截面裂紋內(nèi)有深灰色物質(zhì)。由圖5可見,在靠近直角彎頭內(nèi)表面1/3厚度處,裂紋分布不規(guī)則,多處產(chǎn)生分支裂紋,且相互交叉,裂紋附近組織存在很多與裂紋擴展方向近似平行的塑性變形形貌,該形貌的出現(xiàn)一般與鍛件中的夾雜物有關(guān)[20]。綜上所述可知,直角彎頭的鍛造殘余應力可的腐蝕產(chǎn)物中含有氯元素,表明直角彎頭的開裂形能是造成其開裂的主要原因。

圖4 開裂直角彎頭外表面和截面裂紋末端的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of cracks on outer surface(a) and cross-section (b) end of cracked right angle elbow

圖5 靠近直角彎頭內(nèi)表面1/3厚度處裂紋的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of crack near 1/3 thickness of inner surface of right angle elbow

1.4 掃描電鏡及能譜分析

由圖6可見:裂紋內(nèi)的物質(zhì)有兩種,一種呈斷續(xù)分布的不規(guī)則塊狀,在掃描電鏡下顏色較亮,另一種呈灰黑色,在掃描電鏡下顏色較暗;亮色塊狀物質(zhì)的主要成分為氧化鋁,不是腐蝕產(chǎn)物,而是直角彎頭內(nèi)部的夾雜物;灰黑色物質(zhì)中的氯和硫元素含量較高,還含有少量的鈣和硅等元素,可推斷該物質(zhì)為腐蝕產(chǎn)物。

圖6 直角彎頭截面裂紋內(nèi)亮色塊狀物和灰黑色腐蝕產(chǎn)物的SEM 形貌和EDS譜Fig.6 SEM morphology and EDS spectrum of bright colored lumps (a,b) and gray-black corrosion products (c,d)in the cracks of right angle elbow cross-section

金屬鋁作為一種深脫氧劑已在轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉出鋼過程中普遍使用,在鋼的冶煉過程中,鋁會與空氣中的氧結(jié)合生成氧化鋁,冶煉過程中夾雜物上浮不徹底會殘留在鋼中,從而形成氧化鋁夾雜物。氧化鋁具有較高的熔點和硬脆性[21-23],其力學性能與直角彎頭基體相差很大,直角彎頭鍛件中的夾雜物會破壞基體力學性能的連續(xù)性,在直角彎頭鍛壓過程中,夾雜物可能被延展成長而薄的流線狀,形成如圖5所示的帶狀組織,造成應力集中,從而產(chǎn)生裂紋,裂紋易沿著夾雜物進行擴展。

管道敷設(shè)土壤的pH 為7,氯離子含量達到1 094.5 mg/L,裂紋貫穿整個彎頭管壁,裂紋整體呈樹枝狀形貌,且裂紋主要沿晶粒內(nèi)部擴展,裂紋內(nèi)式為典型的氯離子應力腐蝕開裂。裂紋內(nèi)有大量氧化鋁夾雜物,其附近存在帶狀組織,主要原因是在直角彎頭鍛壓過程中,鍛件中的氧化鋁夾雜物與基體之間產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形,形成了帶狀組織。在含氯離子的環(huán)境中,直角彎頭內(nèi)部帶狀組織處易產(chǎn)生應力集中,從而形成裂紋,裂紋沿著夾雜物進行擴展,貫穿整個彎頭管壁,最終造成直角彎頭發(fā)生開裂。

2 結(jié)論

(1) 直角彎頭的開裂形式是氯離子應力腐蝕開裂。

(2) 在直角彎頭鍛壓過程中,鍛件中的氧化鋁夾雜物與基體之間產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形,形成帶狀組織,產(chǎn)生應力集中,在含氯離子的環(huán)境中,該處形成應力腐蝕裂紋,裂紋沿著夾雜物逐漸擴展,貫穿整個彎頭管壁,最終造成直角彎頭發(fā)生開裂。