圖 1 穿孔部位宏觀形貌
分享：20鋼輸氣管道穿孔原因
某油田現場輸氣管道環焊縫部位發生穿孔現象,孔洞直徑約為30 mm,焊縫附近外壁有機械損傷痕跡。該輸氣管線于2015年開始服役,運行時長為8 a。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該管線環焊縫部位穿孔的原因,以避免該類問題再次發生[1-2]。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
輸氣管道穿孔部位的宏觀形貌如圖1所示,焊縫內壁腐蝕后的宏觀形貌如圖2所示。由圖1,2可知：該輸氣管道泄漏位置為管道下部,腐蝕產物較為密集,顏色呈紅棕色,焊縫內壁存在明顯的未焊透現象。
圖 2 焊縫內壁腐蝕后的宏觀形貌
1.2 壁厚測量
用超聲波測厚儀對穿孔管段環焊縫兩側進行環向壁厚測量,環焊縫每側的壁厚測量點為8個,均勻分布于360°環向管壁上,測量結果如表1所示。由表1可知：環焊縫兩側管子壁厚的平均值為5.20~5.21 mm,厚度偏差在GB/T 8163—2008 《輸送流體用無縫鋼管》規定的范圍內,符合供貨條件。
Table 1. 穿孔管段壁厚測量結果
| 項目 | 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | 測點6 | 測點7 | 測點8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 實測值1 | 5.22 | 5.20 | 5.21 | 5.22 | 5.21 | 5.20 | 5.22 | 5.21 |
| 實測值2 | 5.20 | 5.21 | 5.20 | 5.21 | 5.20 | 5.20 | 5.21 | 5.20 |
1.3 化學成分分析
在穿孔管段管體上取樣,用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表2所示。由表2可知：管體材料的化學成分符合GB/T 699—2015 《優質碳素結構鋼》對20鋼的要求。
Table 2. 管體材料化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | |
| 實測值 | 0.17 | 0.24 | 0.42 | 0.019 | 0.010 | 0.041 |
| 標準值 | 0.17~0.23 | 0.17~0.37 | 0.35~0.65 | <0.035 | <0.035 | <0.25 |
1.4 金相檢驗
在穿孔管段管體以及環焊縫穿孔部位附近取樣,依據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》,用激光共聚焦顯微鏡對管體試樣進行觀察,用超景深數碼顯微鏡對環焊縫試樣進行觀察。管體試樣的顯微組織形貌如圖3所示,可以看出管體試樣的組織為鐵素體+珠光體。環焊縫試樣的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：環焊縫的組織為鐵素體、珠光體+鐵素體,屬于20管線鋼的正常組織。
圖 3 管體試樣顯微組織形貌
圖 4 環焊縫試樣顯微組織形貌
用光學顯微鏡及圖像分析系統對焊接接頭進行低倍組織檢驗,結果如圖5所示。由圖5可知：焊接接頭橫截面環焊縫可見未焊透缺陷和內腐蝕痕跡；穿孔部位兩側的組織為針狀鐵素體+貝氏體。
圖 5 焊接接頭的低倍組織檢驗結果
1.5 力學性能測試
在穿孔管段管體上截取縱向拉伸試樣,依據GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》,用材料試驗機對試樣進行拉伸試驗,結果如表3所示。由表3可知：管體的拉伸性能符合GB/T 8163—2008的要求。
Table 3. 穿孔管段管體的拉伸試驗結果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 斷后伸長率/% |
|---|---|---|---|
| 實測值 | 453,457,435 | 319,326,299 | 38.0,36.5,23.5 |
| 平均值 | 448 | 315 | 33 |
| 標準值 | ≥410 | ≥245 | ≥20 |
在穿孔管段的焊縫、熱影響區和母材上取樣,依據GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對試樣進行維氏硬度測試,結果如表4所示。
Table 4. 焊縫、熱影響區和母材維氏硬度測試結果
| 項目 | 焊縫 | 熱影響區 | 母材 |
|---|---|---|---|
| 實測值 | 200,190,206 | 172,162,171 | 145,147,140 |
| 平均值 | 197 | 170 | 145 |
1.6 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
在管段泄漏部位附近環焊縫上取樣,用掃描電鏡對環焊縫內表面進行分析,結果如圖6所示。由圖6可知：焊縫存在未焊透痕跡。
圖 6 管段泄漏部位附近環焊縫內表面 SEM形貌及能譜分析位置
對環焊縫內表面泄漏部位附近進行能譜分析,分析位置如圖6c),6d)所示,分析結果如圖7所示。由圖7可知：環焊縫內表面泄漏部位附近附著物主要成分是硅的化合物、鋁的化合物、鐵氧化物、氯化物等沉積物與腐蝕產物。
圖 7 環焊縫內表面泄漏部位附近能譜分析結果
2. 綜合分析
由金相檢驗結果可知：管體材料的組織均為鐵素體+珠光體,焊縫熔合區組織為針狀鐵素體+鐵素體+貝氏體,環焊縫熱影響區組織為鐵素體、珠光體+鐵素體,均屬于正常組織；環焊縫可見未焊透和內腐蝕痕跡,焊縫附近有機械損傷痕跡。管體材料的化學成分和力學性能均符合標準要求。
未焊透的焊縫與固體沉積物形成縫隙,極易發生沉積物縫隙腐蝕。對現場工況進行調查,發現現場管道中輸送的介質是含水天然氣,介質屬于酸性流體,介質中夾帶有固體細顆粒,固體細顆粒沉積后與焊縫內表面形成縫隙,存在縫隙腐蝕現象。
縫隙腐蝕形成條件為縫隙寬度一般不大于0.1 mm,并且有介質在縫隙中。縫隙腐蝕發生在金屬和合金中,容易鈍化的金屬和合金更易引起腐蝕,腐蝕介質包括酸性、中性和淡水介質,介質中含有Cl－ ,更容易引起腐蝕。腐蝕過程為：縫隙內逐漸缺氧階段,前期縫隙寬度較大,發生吸氧腐蝕,對水中溶解氧進行消耗,隨著腐蝕產物的增多,縫隙寬度越來越小,引起縫隙內缺氧,縫隙內外構成氧濃度差電池,其中陽極為縫隙內部金屬表面,陰極為縫隙外部自由表面；Cl－ 遷移進入、溶液pH下降,隨著縫隙內缺氧階段的持續進行,金屬Fe在縫隙內部持續溶解,引起縫內溶液中Fe2+濃度升高,為了使得電荷平衡,縫隙外部的陰離子就會遷移進入縫隙內部,縫隙內前期已經形成的氯化物與硫酸鹽等金屬鹽類發生水解反應；隨著水解反應的不斷進行,縫隙內pH持續下降,pH下降促進了縫隙內金屬Fe溶解,相應的縫隙外部臨近表面的氧還原速率變快,加劇了縫隙內金屬的腐蝕。
通過上述分析可知,環焊縫內壁泄漏部位附近表面物質主要成分為Fe3O4、FeCl2以及Fe(OH)2,與能譜分析結果基本一致。天然氣夾帶的固體顆粒沉積后與未焊透焊縫內表面構成縫隙,在含水酸性介質作用下發生縫隙腐蝕[3-4]。
3. 結論及建議
輸氣管道環焊縫部位發生穿孔的原因為：未焊透焊縫與天然氣中的固體沉積物構成縫隙,在含水酸性介質作用下發生縫隙腐蝕,焊縫陽極溶解,導致管道發生腐蝕穿孔。
建議定期清洗管道,避免結垢；對焊接工藝進行控制,并進行焊后檢驗,防止出現未焊透現象。
文章來源——材料與測試網
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