天然氣集氣站外輸匯管泄漏原因

賈雅妮,姬茹一,劉天慶,邵凱斌

(機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司,上海 201620)

天然氣集氣站的主要功能是從多個氣井中收集天然氣,通過一系列的處理過程,如加熱、節流(減壓)、分離(去除雜質)、增壓、脫水(去除水分)和計量等,以確保氣體達到規定的壓力和溫度標準。經過這些步驟處理過的天然氣可以被輸送至下游的天然氣加工廠或者直接輸入城市供氣網絡,以滿足工業和居民用氣的需求。由于經常使用焊接工藝對天然氣集氣站外輸匯管進行管道連接,而焊接是一個不均勻的加熱過程,故在焊縫和熱影響區容易發生組織不均勻、力學性能不均勻等現象,并產生焊接缺陷。

集氣站外輸匯管的焊接接頭部位具有較高的焊接殘余應力,因此該管道很容易發生事故。研究表明,大口徑管道的所有事故中由焊縫缺陷導致的故障占比為70%[1]。某氣田集氣站外輸匯管的材料為SA234 WPB,規格為1 000 mm×40 mm(公稱直徑×壁厚),設計溫度為60 ℃,操作溫度為40 ℃,設計壓力為9.5 MPa,操作壓力為8.5 MPa,介質為酸性天然氣,酸性天然氣中含有體積分數為8%～9%的CO2和13%～15%的H2S。該管道在投入運行僅1個月后就發生泄漏現象。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、滲透檢測、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法分析管道泄漏的原因,以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

現場檢查發現,匯管外表面防腐層完好,無明顯壁厚減薄和局部腐蝕痕跡。截取的泄漏管段宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:管道內表面防腐層局部脫落,脫落區域呈層片狀和鼓泡狀形貌;焊縫內、外表面成形較好,無明顯內凹、缺失等表面缺陷;但縱焊縫上有多條表面橫向裂紋,有兩條橫向裂紋貫穿縱焊縫?？v焊縫上貫穿橫向裂紋宏觀形貌如圖2所示。

圖1 泄漏管段宏觀形貌

圖2 縱焊縫上貫穿橫向裂紋宏觀形貌

1.2 滲透檢測

依據NB/T 47013.5—2015 《承壓設備無損檢測第5部分:滲透檢測》的要求,利用滲透劑、乳化劑、清洗劑和顯像劑對匯管進行滲透檢測,結果如圖3所示。由圖3可知:匯管表面存在多條橫向裂紋,裂紋較平直,無明顯塑性變形,斷口呈脆性斷裂特征。

圖3 焊縫滲透檢測結果

1.3 化學成分分析

根據GB/T 4336—2016 《碳素鋼和低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,分別對匯管母材和焊縫進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:母材的化學成分符合技術要求。焊縫化學成分中的Mn元素含量超出了要求,同時焊縫中的Si元素含量要大于母材。

表1 匯管母材和焊縫的化學成分分析結果 %

隨著Mn元素含量的增大,材料的熱導率急劇減小,線膨脹系數增大,在快速加熱或冷卻時,材料內部形成較大的內應力,開裂傾向性增大,淬透性增強,馬氏體轉變溫度降低,對焊接性能有不利影響;同時Mn元素可以細化珠光體,使鋼材的強度增大,延展性降低[2]。而Si元素含量的增大會降低鋼材的塑性和沖擊韌性,減弱鋼材的抗銹蝕能力和焊接性能[3]。

1.4 力學性能測試

按GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求,對泄漏匯管進行拉伸試驗和沖擊試驗,結果如表2所示。由表2可知:匯管母材的力學性能符合相關要求,焊縫的抗拉強度超出了相關要求的上限,母材的沖擊吸收能量高于焊縫。

表2 匯管的拉伸和沖擊試驗結果

根據GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》對泄漏匯管的硬度進行測試,結果如表3所示。由表3可知:焊縫的硬度超出了規定的上限,同時焊縫和熱影響區的硬度高于母材。

表3 匯管的硬度測試結果 HB

Mn、Si元素含量的增大會影響材料的力學性能,使其抗拉強度和硬度增大,沖擊韌性降低,跟化學成分分析結果相對應,硬度與材料的應力有密切關系,通常應力越大,硬度越高,可間接反映該匯管焊縫以及熱影響區存在應力集中的現象。

1.5 金相檢驗

分別在母材、熱影響區及焊縫的位置截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知:母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,其中珠光體含量少,且沿鐵素體晶界分布,組織細小,具有較高的強度和塑性;熱影響區的顯微組織為板條狀馬氏體、針狀鐵素體和貝氏體的混合組織,晶粒較為粗大;焊縫的組織為塊狀鐵素體、先共析鐵素體和珠光體的混合組織,相對于母材,焊縫局部組織比較粗大。焊縫和熱影響區的局部組織粗大并存在板條狀馬氏體,為裂紋的形成和擴展提供了條件。

圖4 匯管的顯微組織形貌

根據裂紋分布形態,分別對表面裂紋及埋藏裂紋的微觀形貌進行觀察,結果如圖5所示。由圖5可知:裂紋在焊縫位置,分布范圍較寬,裂紋由多裂源形成微裂紋串集,帶枝杈和擴展臺階,呈沿晶和穿晶混合開裂形貌特征,表面裂紋內充滿腐蝕產物,呈典型的延遲裂紋形態。

圖5 表面裂紋和埋藏裂紋微觀形貌

1.6 掃描電鏡和能譜分析

分別沿著表面裂紋和埋藏裂紋打開管道,以裂紋面為檢驗面。表面裂紋和埋藏裂紋斷面均有明顯的方向性,呈柱狀晶結晶形態,無明顯塑性變形,無壁厚減薄,呈脆性斷裂特征。表面裂紋橫向貫穿焊縫,止裂于焊縫熔合區,斷口較為平齊,無金屬光澤,表面為黑色,清洗后表面為灰色并無光澤,斷口表面覆蓋一層致密的腐蝕產物。埋藏裂紋也為環向裂紋,位于焊縫中間,斷口表面具有金屬光澤,為銀亮色。

在管道上埋藏裂紋處截取試樣,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知:埋藏裂紋斷口斷面有河流花樣,呈柱狀晶結晶形態[見圖6a)];在裂紋尖端及靠近內表面位置,斷口呈多源啟裂特征[見圖6b)];啟裂區有圓形和橢圓形銀白色斑點,白色斑點附近沒有塑性變形痕跡,圓斑區顯示有從中心向四周的放射線結構,為準解理形貌,在斷口上存在顯微孔洞、發紋和二次裂紋,兩個裂紋源的交界面存在撕裂棱,為韌窩斷口,韌窩是由孔洞形核、長大和連接形成的,韌窩之間分布著大量細小的二次裂紋[見圖6c)、6d)]。裂紋斷口呈典型的氫脆微觀斷口形貌特征。

圖6 埋藏裂紋試樣SEM 形貌

對斷口表面腐蝕產物進行能譜分析,結果如圖7所示。由圖7可知:斷口表面含有氧、鎂、硅、磷、硫、鈣和鐵等元素,其中硫元素含量較高,說明腐蝕產物為硫化物,腐蝕介質進入裂紋內部與金屬反應,形成硫化物,附著在斷口表面。

圖7 斷口表面腐蝕產物能譜分析位置及能譜分析結果

2 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知:匯管母材的化學成分、力學性能和顯微組織均符合相關要求;焊縫化學成分中Mn、Si元素含量偏高,導致焊縫處材料的拉伸性能和硬度大于母材,焊縫處顯微組織為板條狀馬氏體,與硬度測試結果吻合;斷口呈沿晶和穿晶混合開裂形貌特征,表面存在明顯的雞爪紋,具有氫脆斷裂的典型特征。

氫脆是在焊接過程中,氫進入鋼中的顯微缺陷內[4],聚合成分子氫,當氫富集到足夠的程度,會引起金屬脆化、空腔表面能減小,以及空腔內壓力增大,使顯微缺陷擴張成裂口而形成裂紋源。由于氫的擴散,另一應力集中源形成新的裂口并擴展,兩個裂紋源串集連成裂紋。這些裂紋源通常不能準確地首尾相接,所以常常帶有枝叉,并且裂紋的擴展也是不連續的,由許多細小的微裂紋各自長大并連接。

氫脆的發生需要氫富集,由于匯管中介質為酸性天然氣,其中有較高含量的H2S。同時在焊接過程中,高溫電弧的作用將水分解成氫和氧。氫以離子狀態存在,被液態金屬大量吸收,隨著焊縫金屬的冷卻,會析出氫,當冷卻速率較大時,氫將以過飽和的形式存在于焊縫金屬中。在焊縫金屬中不可避免地存在大量晶體缺陷,如空穴、點陣空位、位錯和非金屬夾雜等,為氫離子的擴散和富集提供場所[5]。

焊接接頭處于復雜的應力狀態,是由熱應力、組織轉變應力與約束應力綜合疊加構成的。在焊接條件下,局部快速的加熱與冷卻導致材料內部產生較大的溫度場,引起不均勻的熱應變,從而產生熱應力[6]。同時,在熱循環作用下,各區域的奧氏體化狀態不同,引起不均勻的組織轉變,各微區域不能相互協調膨脹,從而產生了相變應力。由于焊接接頭的剛性約束,焊接接頭金屬冷卻收縮受到限制,產生了約束應力。

焊縫金屬快速冷卻,使焊縫中形成馬氏體和貝氏體,而馬氏體和貝氏體對裂紋較為敏感[7]。

3 結論與建議

匯管泄漏的主要原因是焊接工藝不當,焊縫中的馬氏體和貝氏體為焊縫開裂提供了條件。建議改進焊接工藝,用焊后熱處理方式減小殘余應力,或者在焊接前采取預熱的方式將氫釋放出來,也可在管道內部施加涂層、堆焊不銹鋼或設置其他保護襯里,以防止該類問題再次發生。