某站外輸油管線彎管開裂失效的原因

許艷艷　劉青山　溫寧華　葛鵬莉　肖雯雯　王毛毛

0 引言

隨著生產時間的延長，服役環境的變化，塔河油田集輸管線在生產運行過程中發生了不同程度的失效，主要腐蝕失效類型為穿孔和開裂。塔河油田管線服役環境復雜，輸送介質中二氧化碳含量和硫化氫含量較高，產出水礦化度高、氯離子含量高、pH較低，因此管線服役環境具有較高腐蝕性。同時管線運行過程中產量、溫度和壓力等變化會導致管線受力發生變化，增大了管線失效風險。

塔河油田某站外輸油管線彎管在2020年11月2日發生了刺漏。該管線于2010年9月16日投產，管道總長4.28 km， 運行溫度為50 ℃，運行壓力為1.6 MPa， 管內介質中硫化氫含量為50 000 mg/m3。該管線的管材為20號碳鋼，規格為?257 mm×7.1 mm， 無內防腐蝕層，外防腐蝕層為黃夾克。為明確彎管開裂原因，作者對彎管開裂段的腐蝕形貌、腐蝕產物成分、材料力學性能等進行觀察和測試。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀腐蝕形貌觀察

對失效彎管表面進行宏觀觀察，并拍照記錄。由圖1可見，管道內表面有明顯腐蝕現象，且有污垢附著。

去除外防腐蝕層后，失效彎管外壁的腐蝕形貌如圖2所示。由圖2可見，失效彎管外弧側表面腐蝕比較嚴重，多處腐蝕坑深度超過1 mm， 最深達到1.32 mm； 在彎管外弧側彎曲幅度最大的位置有一橫向貫穿性裂紋，裂紋長度達340 mm。對管道剩余壁厚進行測量。測量結果表明，管壁厚度不均勻，最薄處為7.26 mm， 最厚處為8.84 mm。

以下分析均從彎管開裂位置附近取樣，取樣位置編號如圖3所示。所有試樣均采用超聲波清洗，去除試樣表面油污。

1.2 顯微組織觀察

從彎管開裂位置取金相試樣，試樣尺寸為30 mm×30 mm×原壁厚。采用尼康金相顯微鏡，依據GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》標準分析集輸管道組織，結果如圖4所示。

該集輸管道材質為20號低碳鋼，通常使用狀態為正火，正常顯微組織為鐵素體+珠光體。由圖4可見，失效彎管的組織為貝氏體和馬氏體，且有上貝氏體存在。上貝氏體組織脆性、硬度較高，對材料極為不利；貝氏體和馬氏體的存在同樣會影響了材料的硬度，增大了其開裂敏感性。

采用掃描電鏡對試樣組織夾雜進行觀察。發現6個試樣組織內均含有少量夾雜物，但在6號樣中觀察到微裂紋的存在，如圖5所示。由于組織中上貝氏體的性能非常差，其脆性、硬度較高，在夾雜物附近容易出現比較高的應力集中，管材極易在這些缺陷處萌生裂紋，在管線生產運行過程中綜合應力的作用下，裂紋會進一步擴展最終導致管線開裂。

1.3 力學性能測試

1.3.1 硬度

利用SCHV-3.0型顯微硬度測試儀，依據ASME E384-11e1《材料的努氏和維氏硬度標準試驗方法》對現場彎管試樣（隨機選3個點）進行硬度測試。測試結果表明：失效彎管3個測試點的硬度分別為37.3、38.3、39.4 HRC，平均值為38.3 HRC。20號碳鋼的標準硬度為30～35 HRC，因此失效彎管的硬度偏高，這說明材料中的馬氏體和貝氏體組織提高了管材的硬度。

1.3.2 拉伸性能

參照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中附錄E，從失效彎管直管段截取拉伸試樣。然后利用WDML-50KN型拉伸試驗機，依據ASTM A370-2013《鋼制品機械測試的標準試驗方法和定義》對試樣進行拉伸試驗，結果見表1。

由表1可見，根據GB/T 699-2015《優質碳素結構鋼》中對20號鋼力學性能的規定，該失效彎管的強度基本符合標準要求，但斷后伸長率和斷面收縮率低于標準，這可能是因為組織中出現了上貝氏體及馬氏體等非平衡組織。

另外對拉伸試樣斷口形貌進行觀察，結果如圖6所示。結果表明，拉伸斷口呈韌性斷裂和脆性斷裂并存的特征。

1.3.3 殘余應力

利用μ-X360n型殘余應力測試設備對失效彎管（5號和6號樣）表面進行殘余應力測試。測試結果表明：5號樣殘余應力為242 MPa， 6號樣殘余應力為215 MPa。一般情況下，認為小于100 MPa的殘余應力對管材無明顯影響。但是測試結果表明，失效彎管的殘余應力都遠大于100 MPa， 因此材料存在較大的殘余應力，容易發生開裂。

1.4 腐蝕產物分析

從開裂位置附近管道內壁收集腐蝕產物，利用D8 Advance X射線衍射儀（XRD）對腐蝕產物的物相組成進行分析，結果如圖7所示。結果表明，腐蝕產物主要為FeS，FeCO3和鐵的氧化物。FeS的存在說明硫化氫參與了腐蝕。鐵的氧化物可能是在開挖及運輸過程中管線暴露在空氣中發生氧化反應產生的。

1.5 微觀形貌觀察

在開裂位置附近取樣，由于1、2、3、5號樣取自裂紋處，故切割后裂為兩塊，其斷面即為斷口。用LEO-1450型掃描電子顯微鏡（SEM）對斷口表面腐蝕產物形貌進行觀察，結果如圖8所示。采用League 2000能譜儀（EDS） 對斷口上的腐蝕產物的組成元素進行分析，結果如表2所示。結果表明，斷口上分布著硫化物及氧化物等腐蝕產物。

圖9為2號樣斷口截面形貌。由圖9可見，試樣中存在由斷口向內部擴展的裂紋，裂紋沿晶擴展，在主裂紋旁邊伴隨二次裂紋產生，這種裂紋形態具有明顯的應力腐蝕開裂特點。

進一步觀察發現，在彎管內壁上也出現了顯微裂紋，如圖10（a）所示。對內壁進行能譜分析，結果發現內壁覆蓋著大量的硫化物及氧化物，腐蝕產物主要含有Fe、S、O、C等元素，如圖10（b）所示。在管道生產運行過程中，管內介質中的H2S含量較高，平均含量為50 000 mg/m3，遠遠超過了NACE規定的臨界值50 μg/L，管道具有發生硫化物應力腐蝕開裂的風險。

2 腐蝕原因分析

失效彎管的組織和力學性能檢測結果表明，管道加工過程因為工藝控制不當，材料中產生了非正常組織上貝氏體、貝氏體和馬氏體，導致材料塑性韌性下降，同時管材中還存在部分非金屬夾雜物、微裂紋及較高的殘余應力，管材極易在這些缺陷處萌生裂紋。另外，在彎管曲率半徑最小的部位，管材所受的應力最大，管材的開裂敏感性升高。

該彎管產生裂紋的原因為應力腐蝕開裂。管材中的上貝氏體和馬氏體組織及非金屬夾雜物是裂紋產生的直接內因，而H2S環境是造成開裂的外因。彎管發生硫化物應力腐蝕開裂的機理如下：H2S首先在水溶液中發生解離，見式（1）；解離產生的HS-與鋼基體發生腐蝕陽極反應，見式（2），陰極反應見式（3）。

從裂紋形貌可以看出，該裂紋具有應力腐蝕開裂的特征。輸油管線中硫化氫含量遠超過硫化物應力腐蝕開裂的臨界值；同時在介質運輸過程中含有較多的水，硫化氫和水同時出現，在管線內部形成了液態H2S環境，含H2S的水為管道腐蝕提供介質條件。管道在服役過程中，彎管外弧受拉應力，內弧受壓應力，金屬的陽極溶解反應生成的氫會侵入管材內部，然后從管道內表面向拉應力比較大的外壁遷移，從而在管道外表面產生微小的氫脆裂紋，在局部引起應力集中，加速裂紋的擴展，即在彎管外側表面出現裂紋起源；同時管道在運行過程中，受運行壓力及內應力的綜合作用，在內部非正常組織，夾雜物處也產生微裂紋，在應力持續作用下，裂紋逐漸擴展，當裂紋不斷擴展連通，剩余管壁不足以支持其所受應力時，管道破裂，出現刺漏事故。

3 結論與建議

（1） 輸油管線彎管材料組織不正常，存在上貝氏體、貝氏體和馬氏體組織，導致材料強度、硬度偏高，塑性韌性偏低；同時，材料中存在部分非金屬夾雜物和較高的殘余應力，使彎管開裂敏感性升高。

（2） 管線運輸環境中硫化氫含量較高，受硫化氫腐蝕環境影響，彎管開裂，氫進入鋼中加速了裂紋的擴展。同時在綜合應力作用下，彎管在非金屬夾雜物處產生應力集中，導致裂紋萌生；多個裂紋擴展連通后形成宏觀裂紋，最終穿透斷裂。

（3） 建議控制管道加工成型工藝，減少夾雜物，避免不正常組織的產生；加強來料檢驗，發現問題及時更換；安裝前進行消除殘余應力處理；加強匯管、彎管等應力集中部位材料的應力腐蝕監測。

本文摘自《腐蝕與防護》2023年第8期