·失效分析與預(yù)防·

某成品油管道腐蝕穿孔失效分析

金作良

(中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部北京100101)

摘要：油氣管道作為油氣輸送最便捷、最安全的運(yùn)輸方式，在國(guó)內(nèi)外得到普遍運(yùn)用。腐蝕穿孔是油氣輸送管道最常見(jiàn)的失效方式，具有不可預(yù)見(jiàn)性和后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，尤其是液體管道，一旦發(fā)生腐蝕穿孔泄露事故，很可能會(huì)發(fā)生安全事故和環(huán)境污染事件，文章通過(guò)某成品油管道腐蝕穿孔的失效分析介紹，提出同類管道預(yù)防腐蝕穿孔的具體措施，為同類項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：成品油管道；腐蝕；失效分析

作者簡(jiǎn)介：第一金作良，男，1969年生，高級(jí)工程師，1992年7月畢業(yè)于西安交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械工程系并獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要從事油氣管道項(xiàng)目建設(shè)體系建設(shè)、質(zhì)量安全環(huán)保管理、標(biāo)準(zhǔn)管理工作。E-mail：jinzuoliang@petrochina.com.cn

文章編號(hào)：中圖法分類號(hào)：TE973

收稿日期：(2014-06-26編輯：屈憶欣)

Corrosion Failure Analysis of a Certain Product Oil PipelineJIN Zuoliang

(CNPCPipelineConstructionAdministrationDepartment,Beijing100101,China)

Abstract：Pipelines is one of the most convenient and safe way for oil and gas transportation, which is widely used at home and abroad. Corrosion perforation of oil and gas pipeline is a common failure mode, which has the characteristics of unpredictable and serious consequence, especially for oil pipelines. Once corrosion leakage happens, safety accidents and environmental pollution incidents are likely to occur. Corrosion failure analysis of a certain product oil pipeline was carried out in this paper, which puts forward some concrete measures for corrosion perforation prevention and provide reference for similar pipeline projects.

Key word： product oil pipeline，corrosion，failure analysis

0引言

某成品油管道管徑273 mm，采用L245MB鋼級(jí)的ERW直縫管，管道壁厚5.6 mm，管道設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa。因管道建成后，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有投產(chǎn)，為保證管道安全投產(chǎn)，在投產(chǎn)前重新組織試壓工作，試壓介質(zhì)為水。在試驗(yàn)壓力升至3.0 MPa后，發(fā)現(xiàn)試壓壓力快速下降，經(jīng)排查沿線管道，共發(fā)現(xiàn)兩處管體泄露?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)在管體6點(diǎn)位，存在泄露點(diǎn)。為查清泄露原因，組織開(kāi)展了失效分析工作。

1失效分析方案

為了保證失效分析結(jié)果能真實(shí)再現(xiàn)腐蝕產(chǎn)生的原因，在開(kāi)展失效分析前，需要制定失效分析方案。失效分析方案包括資料搜集、尺寸測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)、理化性能分析、金相顯微組織分析、斷口形貌分析等[1~3]。

2失效分析主要結(jié)果

2.1壁厚測(cè)量

(1)環(huán)帶壁厚測(cè)量：采用MX-5型超聲測(cè)厚儀，依據(jù)GB/T 11344-2008，對(duì)送樣管段壁厚進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量了鋼管5個(gè)截面環(huán)帶壁厚，每個(gè)截面共測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，測(cè)量了2點(diǎn)、4點(diǎn)、6點(diǎn)(泄漏點(diǎn)位置)、8點(diǎn)、10點(diǎn)及12點(diǎn)鐘方向位置，截面位置如圖1所示。測(cè)量結(jié)果表明，壁厚均值5.645 mm，最小值5.39 mm，最大值5.81 mm。

圖1　鋼管環(huán)帶壁厚測(cè)量示意圖

(2)6點(diǎn)鐘位置壁厚：沿A端以約4 mm的間距測(cè)量了送檢管段泄漏點(diǎn)所在6點(diǎn)鐘位置壁厚，結(jié)果如圖2所示。測(cè)量結(jié)果表明，最小壁厚為5.06 mm，與公稱壁厚5.6 mm相比，減薄量為9.64%，該最小壁厚處距離B段36 cm。

圖2　鋼管6點(diǎn)鐘位置壁厚

從測(cè)量的情況看，測(cè)量的5個(gè)截面環(huán)帶的外徑符合技術(shù)規(guī)格書(shū)允許偏差要求，泄漏點(diǎn)D1和D2周?chē)鷧^(qū)域的壁厚未見(jiàn)明顯減薄。

2.2無(wú)損檢測(cè)

(1)泄漏點(diǎn)處射線檢測(cè)：將管段切開(kāi)成A1、A2和A3三段，如圖5所示，采用XXQ-2505型射線探傷儀，選用150 kV的管電壓在3 min的曝光時(shí)間下以單壁單影的透照方式，對(duì)A2管段泄漏點(diǎn)位置(如圖3所示)進(jìn)行射線探傷檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明A2管段穿孔處發(fā)現(xiàn)6處明顯可見(jiàn)的缺陷，具體如表1所示。

圖3　管段切割示意圖

編號(hào)缺陷位置缺陷描述1D2穿孔缺陷6mm圓形缺陷2朝B端方向距D2穿孔缺陷40mm6mm圓形缺陷3朝A端方向距D2穿孔缺陷50mm4mm圓形缺陷4朝A端方向距D2穿孔缺陷72mm7mm圓形缺陷5朝A端方向距D2穿孔缺陷119mm5mm圓形缺陷6朝A端方向距D2穿孔缺陷127mm4mm圓形缺陷

(2)壁厚減薄處射線檢測(cè)：采用XXQ-2505型射線探傷儀，以單壁單影的透照方式，對(duì)A3管段6點(diǎn)鐘方向超聲測(cè)后減薄處(距離B端36 cm)進(jìn)行射線探傷，結(jié)果表明局部減薄處未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

(3)超聲波探傷檢測(cè)：采用MS380超聲波探傷儀、2.5P12×12 K2探頭及5%刻槽對(duì)比試塊以鋸齒形的掃查方式對(duì)送檢管段焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷檢測(cè)。超聲波探傷檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第三部分：超聲檢測(cè)》進(jìn)行。檢測(cè)結(jié)果表明送檢管段ERW焊縫未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

綜上所述，從無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果看，該管段ERW焊縫未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，泄漏點(diǎn)未在焊縫上，處于偏離焊縫90°位置；A2管段穿孔處發(fā)現(xiàn)6處缺陷，A3管段6點(diǎn)鐘方向超聲測(cè)后減薄處未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

2.3失效鋼管理化性能分析

(1)化學(xué)成分：鋼管主要化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，鋼管的化學(xué)成分符合技術(shù)規(guī)格書(shū)中L245MB化學(xué)成分的要求。

表2　 鋼管化學(xué)成分分析結(jié)果　%

(2)拉伸性能試驗(yàn)：鋼管母材和焊縫的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，鋼管的拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

表3　鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

(3)夏比沖擊性能試驗(yàn)：在鋼管母材、焊縫及熱影響區(qū)分別取樣進(jìn)行夏比沖擊性能測(cè)試，試驗(yàn)溫度為-10 ℃。試樣規(guī)格為3.3 mm×10 mm×55 mm，V型缺口垂直鋼管表面。表4中夏比沖擊功值為按照1/3尺寸試樣結(jié)果換算出的全尺寸試樣沖擊結(jié)果，可以看出鋼管母材、焊縫和熱中的響區(qū)試樣的沖擊功均及剪切面積均符合技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

(4)硬度測(cè)試：在鋼管母材、焊縫及熱影響區(qū)分別取樣進(jìn)行硬度測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試位置如圖4所示，硬度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4　　鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果(按照1/3尺寸試樣3.3 mm×10 mm×55 mm折算后的全尺寸值)

圖4　焊接接頭硬度示意圖

技術(shù)規(guī)格書(shū)中要求，鋼管管體、焊縫及熱影響區(qū)最大允許硬度值為240HV10。由表5可知，硬度測(cè)試結(jié)果滿足要求。

(5)壓扁試驗(yàn)：焊管的壓扁試驗(yàn)結(jié)果表明置試樣分

別于偏離焊縫0°、90°位置，壓至2/3D、1/3D至貼合，焊縫及焊縫以外管體均未出現(xiàn)裂紋，并且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中鋼管表面未出現(xiàn)分層缺欠或金屬過(guò)燒，滿足技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

表5　維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

(6)金相分析：焊管的金相分析結(jié)果如表6所示，可以看出，焊管的母材金相分析結(jié)果符合技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

2.4金相及電鏡分析

(1)試塊取樣：為了分析鋼管腐蝕穿孔的原因，在鋼管無(wú)損檢測(cè)確定的缺陷部位進(jìn)行線切割取樣，共切取8塊，分別標(biāo)號(hào)為1#~8#，隨后分別取1#~8#剖開(kāi)一側(cè)試樣和8#縱切試樣進(jìn)行金相觀察分析，同時(shí)測(cè)量腐蝕坑深。金相組織和非金屬夾雜物觀察結(jié)果表明：試樣內(nèi)外表面組織與壁厚中心組織相同，純凈度相當(dāng)，見(jiàn)表7、表8。同時(shí)對(duì)腐蝕孔洞進(jìn)行進(jìn)一步金相分析，圖5~圖9為某典型貫穿壁厚的腐蝕孔洞形貌特征以及典型腐蝕坑及產(chǎn)物的形貌分析，結(jié)果表明試樣內(nèi)表面存在明顯腐蝕樣貌，腐蝕坑較深，腐蝕產(chǎn)物較厚；泄漏點(diǎn)軸向兩側(cè)另外4處腐蝕坑深度介于2.57 mm~4.6 mm，最大腐蝕坑深度占壁厚比例達(dá)到82%。

表7　腐蝕坑缺陷樣品金相組織

表8　　腐蝕坑缺陷樣品(縱向)非金屬夾雜物

圖5　某貫穿壁厚的腐蝕孔洞形貌特征

圖6　腐蝕坑及產(chǎn)物

圖7　孔洞周?chē)g產(chǎn)物及組織

圖8　孔洞周?chē)g產(chǎn)物及組織

圖9　某貫穿壁厚的腐蝕孔洞截面特征(內(nèi)表面孔洞)

(2)電鏡分析：為了進(jìn)一步明確管體腐蝕產(chǎn)生的原因，采用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡及XFORD INCA350能譜分析儀對(duì)1#~8#剖面進(jìn)行了電鏡觀察和腐蝕產(chǎn)物能譜分析。分析結(jié)果表明，腐蝕坑孔口有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，并沿壁厚方向發(fā)展，如圖10所示。1#~8#試樣剖面能譜分析表明，腐蝕坑表面氧含量較高，如圖11和圖12所示，說(shuō)明該區(qū)域存在氧腐蝕，并在腐蝕坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)有氯離子存在。

圖10　某典型試樣穿孔25倍掃描電鏡形貌

圖11　某典型試樣腐蝕產(chǎn)物能譜圖

2.5泄漏原因綜合分析

綜上所述，按照鋼管技術(shù)規(guī)格書(shū)，對(duì)取樣管段進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊、硬度測(cè)試、壓扁和金相分析等理化性能檢測(cè)的結(jié)果表明：取樣管段各項(xiàng)性能均符合技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

圖12　某典型試樣腐蝕坑底部能譜圖

兩處泄漏點(diǎn)位于管道6點(diǎn)鐘位置，距離直焊縫22.8 cm，金相縱向剖面表明第1處泄漏點(diǎn)(D2)靠近內(nèi)外表面孔徑大，中部??；第2處泄漏點(diǎn)(D1)靠近內(nèi)外表面孔徑小、中部大。對(duì)取樣管段A2管段去除腐蝕產(chǎn)物后在泄漏點(diǎn)(管道6點(diǎn)鐘位置)軸向兩側(cè)內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)另外4處內(nèi)腐蝕坑，腐蝕坑深度位于2.57 mm~4.6 mm，最大腐蝕坑深度占壁厚的82%。能譜分析表明泄漏點(diǎn)位置黑色腐蝕產(chǎn)物成分主要是C、O、Fe、Al、Si、Ca、Mn等元素，紅褐色腐蝕產(chǎn)物成分主要是C、O、Fe、Al、Si、Ca、Mn等元素，XRD分析表明泄漏點(diǎn)位置黑色腐蝕產(chǎn)物成分以Fe3O4為主，并含有少量的Fe(OH)3，紅褐色腐蝕產(chǎn)物主要是Fe(OH)3和Fe2O3，伴有少量的Fe3O4，說(shuō)明存在氧腐蝕。另外腐蝕坑區(qū)域能譜分析結(jié)果表明氧含量較高，說(shuō)明存在氧腐蝕，并有氯離子存在。

取樣管段泄漏點(diǎn)位置存在明顯的黑色腐蝕產(chǎn)物和其他部位均存在不同程度腐蝕形貌表明該部位有殘留水存在。由于水中存在氧氣，溶解氧和鋼管表面的鐵組成腐蝕電池，鐵的電極電位，比氧的電極點(diǎn)位低，在鐵氧腐蝕電池中，鐵是陽(yáng)極，陽(yáng)極區(qū)域Fe不斷失去電子，變成離子進(jìn)入溶液，也即鐵不斷被溶解腐蝕，留下的電子，通過(guò)金屬本體移動(dòng)到陰極的表面，與水和溶解在水中的O2起反應(yīng)生成OH-離子。在水中，陰、陽(yáng)極反應(yīng)生成的OH-與Fe2+相遇即生成不溶性的白色Fe(OH)2沉淀，因Fe(OH)2這種物質(zhì)極易被氧化為Fe(OH)3，同時(shí)脫水形成FeOOH，而形成的FeOOH可以作為電子受體繼續(xù)反應(yīng)，逐漸生成Fe2O3和黑色Fe3O4，這些腐蝕產(chǎn)物與前面XRD在腐蝕產(chǎn)物中檢測(cè)的物相結(jié)構(gòu)是吻合的。溶解氧的這種陰極去極化的作用，造成對(duì)鋼管內(nèi)表面的氧化保護(hù)膜的破壞，產(chǎn)生局部的坑蝕或孔腐蝕[4、5]。

由于殘留水中含有Cl-，金屬離子的產(chǎn)生會(huì)使得腐蝕部位的正電荷量過(guò)剩，導(dǎo)致Cl-遷移到腐蝕部位來(lái)維持其電中性，并且腐蝕坑外面的Cl-會(huì)持續(xù)不斷的向腐蝕坑內(nèi)富集，坑內(nèi)的溶液處于滯留狀態(tài)，形成閉塞腐蝕電池，閉塞電池導(dǎo)致坑內(nèi)酸性增加，促進(jìn)了腐蝕坑沿壁厚方向發(fā)展，直至穿孔。

3結(jié)論及預(yù)防措施

管道泄漏原因是管道內(nèi)部有水殘留，導(dǎo)致管道內(nèi)壁發(fā)生不均勻氧腐蝕，而氯離子的存在促進(jìn)了個(gè)別部位管體腐蝕沿壁厚方向發(fā)展直至穿孔。

失效分析結(jié)論表明該管道的泄漏與管道建設(shè)過(guò)程中的掃水、干燥等環(huán)節(jié)的作業(yè)效果關(guān)系密切。各管道參建單位都應(yīng)從這些泄漏事故中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加強(qiáng)對(duì)管道掃水、干燥等環(huán)節(jié)的管控，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求并做好相關(guān)過(guò)程記錄，杜絕此類事故的再次發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

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