吉 楠, 廖 臻, 朱 輝, 李麗鋒

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院, 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710077;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司, 克拉瑪依 831100)

石油開采后往往需要進(jìn)行異地輸送，其距離可達(dá)數(shù)千公里。管道輸送作為一種經(jīng)濟(jì)、高效且安全的輸送手段，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著十分重要的作用。已通過(guò)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制的管道投入運(yùn)行后，隨著使用年限的增長(zhǎng)，其發(fā)生各種失效事故的概率也在不斷增加。由于輸油管道多埋于地下，管控難度較大，一旦發(fā)生失效事故，造成原油泄漏，不僅會(huì)對(duì)油田造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染[1-6]。因此對(duì)輸油管道失效泄漏事故進(jìn)行分析與研究，確保輸油管道運(yùn)行安全，顯得尤為重要。

某油田在巡線時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏，發(fā)生泄漏的埋地管線規(guī)格為φ114 mm×4.5 mm，材料為20鋼，設(shè)計(jì)工作壓力為4.0 MPa。防腐保溫采用聚乙烯保護(hù)層-硬質(zhì)聚氨酯保溫層-環(huán)氧煤瀝青防腐層3層結(jié)構(gòu)，防腐補(bǔ)口方式采用熱收縮帶防腐-澆注聚氨酯泡沫保溫-熱收縮套防水。該管線于2011年投運(yùn)，服役9 a(年)后發(fā)生泄漏。為找到輸油管道的泄漏原因，筆者對(duì)該泄漏輸油管道進(jìn)行了宏觀分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、腐蝕表面微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析等，明確了管道泄漏的原因，以期為現(xiàn)場(chǎng)安全管理提供幫助。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

對(duì)泄漏埋地管道取樣后進(jìn)行觀察，其宏觀形貌如圖1所示?？梢娫诠艿劳獗砻娴沫h(huán)焊縫補(bǔ)口區(qū)附近有一處明顯的穿孔，位于管道底部的6點(diǎn)鐘位置，孔徑為20 mm。穿孔附近的管道外表面被黑色和紅褐色的物質(zhì)覆蓋，同時(shí)在管道外表面防腐補(bǔ)口區(qū)以外，可見藍(lán)色的環(huán)氧煤瀝青防腐涂層。

圖1 泄漏輸油管道宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of leaking oil pipeline

將穿孔附近的管道外表面打磨處理后對(duì)其進(jìn)行觀察，宏觀形貌如圖2a)所示?？梢姵┛淄?，管道外表面還存在著大量大小、深淺不一的腐蝕坑，局部腐蝕坑尺寸較大，其中最大的一處腐蝕坑直徑約12 mm。將管段沿軸向剖開后，可見在其內(nèi)表面覆蓋有致密的黑色垢層，如圖2b)所示。去除垢層后，在內(nèi)表面除穿孔外，未見明顯腐蝕痕跡。

圖2 泄漏輸油管道防腐補(bǔ)口區(qū)域宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of anticorrosion joint of leaking oil pipeline:a) outer surface; b) inner surface

1.2 壁厚測(cè)量

使用超聲測(cè)厚儀對(duì)泄漏管道進(jìn)行壁厚測(cè)量，可知環(huán)焊縫防腐補(bǔ)口區(qū)以外的壁厚最大測(cè)量值為5.08 mm，最小測(cè)量值為4.29 mm，壁厚未見明顯減薄；環(huán)焊縫防腐補(bǔ)口區(qū)以內(nèi)的管道壁厚發(fā)生明顯減薄，壁厚最小值出現(xiàn)在穿孔附近，為1.74 mm，僅相當(dāng)于公稱壁厚的39%。

1.3 化學(xué)成分分析

從泄漏輸油管道的管體上截取塊狀樣品，使用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢娫撌л斢凸艿赖幕瘜W(xué)成分符合GB/T 8163—2018 《輸送流體用無(wú)縫鋼管》對(duì)20鋼的要求。

表1 泄漏輸油管道的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of leaking oil pipeline (mass fraction) %

1.4 拉伸性能試驗(yàn)

在泄漏輸油管道上沿縱向截取全壁厚板狀拉伸試樣，并進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣寬度為20 mm，標(biāo)距為50 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？梢娫撌л斢凸艿赖睦煨阅芊螱B/T 8163—2018的技術(shù)要求。

表2 泄漏輸油管道拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile property test results of leaking oil pipeline

1.5 金相檢驗(yàn)

分別在泄漏管道的管體未失效位置和穿孔附近取樣，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》及GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》的技術(shù)要求對(duì)試樣的顯微組織、晶粒度和非金屬夾雜物進(jìn)行觀察并評(píng)級(jí)。分析結(jié)果表明，管體未失效部位和穿孔處的顯微組織均為鐵素體+珠光體，晶粒度等級(jí)為9.5級(jí)，非金屬夾雜物分別為硫化物(A)1.5級(jí)，氧化鋁(B)0.5級(jí)，球狀氧化物(D)0.5級(jí)，如圖3所示。管道外表面腐蝕坑形貌如圖4所示，可見腐蝕坑內(nèi)存在連續(xù)、較厚的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑附近的顯微組織與其他區(qū)域的相同，均為鐵素體+珠光體。

圖3 泄漏輸油管道未失效位置的顯微組織形貌及非金屬夾雜物形貌Fig.3 a) Microstructure and b) nonmetallic inclusions morphology of non failure position of leaking oil pipeline

圖4 泄漏輸油管道外表面腐蝕坑形貌Fig.4 Morphology of corrosion pits on outer surface of leaking oil pipeline:a) overall morphology; b) microstructure morphology

1.6 微觀分析

分別對(duì)泄漏管道穿孔及外表面的腐蝕坑進(jìn)行掃描電鏡(SEM)及微區(qū)能譜(EDS)分析。在輸油管道的內(nèi)、外表面穿孔處均可見明顯的腐蝕產(chǎn)物，SEM形貌如圖5和圖6所示。分別在穿孔邊沿(圖5中區(qū)域1)、穿孔內(nèi)(圖5中區(qū)域2)、管體未失效部位(圖5中區(qū)域3)選取一定的區(qū)域，及管體未失效部位與發(fā)生腐蝕失效交界的邊緣(圖5中位置4)取點(diǎn)進(jìn)行微觀能譜分析，結(jié)果如表3所示。可知穿孔處腐蝕產(chǎn)物以鐵和氧元素為主，同時(shí)含有一定比例的氯元素，越接近基體氯元素含量越高。管體外表面腐蝕坑底的能譜分析結(jié)果如圖7所示，可知外表面腐蝕坑底被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，且較為疏松，主要由鐵和氧等元素組成，也含有一定量的氯元素。

圖5 泄漏輸油管道穿孔處外表面SEM形貌Fig.5 SEM morphology of perforation on the outer surface of leaking oil pipeline

圖6 泄漏輸油管道穿孔處內(nèi)表面SEM形貌Fig.6 SEM morphology of perforation on the inner surface of leaking oil pipeline

表3 泄漏輸油管道外表面的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Fig.3 EDS analysis results on the outer surface of leaking oil pipeline (mass fraction) %

圖7 泄漏輸油管道外表面腐蝕坑底能譜分析位置及結(jié)果Fig.7 EDS analysis a) position and b) results of corrosion pit bottom on the outer surface of leaking oil pipeline

對(duì)防腐補(bǔ)口表面所覆蓋的黑色及褐色腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果如圖8所示，可見外表面腐蝕產(chǎn)物主要是Fe3O4，F(xiàn)eO(OH),SiO2。

圖8 泄漏輸油管道防腐補(bǔ)口腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果Fig.8 XRD analysis results of corrosion products in anticorrosion joint of leaking oil pipeline

2 分析與討論

2.1 材料理化性能分析

理化性能測(cè)試結(jié)果表明，泄漏輸油管道材料的化學(xué)成分和拉伸性能符合GB/T 8163—2018的技術(shù)要求，管體及腐蝕坑處的顯微組織未見異常，所以材料性能不是造成此次失效事故的主要原因。

2.2 穿孔原因分析

根據(jù)泄漏輸油管道的宏觀形貌可知，穿孔位于管道的防腐補(bǔ)口區(qū)域，管體的外表面腐蝕較為嚴(yán)重，表面覆蓋有大量的腐蝕產(chǎn)物，將腐蝕產(chǎn)物清理后可見大量深淺不一的腐蝕坑，而且此區(qū)域的壁厚減薄也較為明顯，最小測(cè)量值僅為管道公稱壁厚的39%，管道內(nèi)壁狀況完好，未見有明顯的腐蝕痕跡，由此可以判斷，管道穿孔主要是外表面腐蝕引起的。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，防腐補(bǔ)口區(qū)域以外的鋼管外表面環(huán)氧粉末防腐層完好，無(wú)明顯腐蝕特征，壁厚也沒有減薄現(xiàn)象，由此進(jìn)一步判斷，造成管道防腐補(bǔ)口區(qū)外表面發(fā)生腐蝕的原因主要在于防腐補(bǔ)口處的涂層發(fā)生漏點(diǎn)，這與防腐補(bǔ)口密封不嚴(yán)或防腐層破損有關(guān)。

根據(jù)穿孔附近腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果可知，泄漏輸油管道表面腐蝕產(chǎn)物中含有大量的氧和鐵元素，且在穿孔附近氯元素含量也較高，所以判斷腐蝕與Cl-有關(guān)。

防腐補(bǔ)口處防腐層失效會(huì)導(dǎo)致外部土壤與管壁直接接觸，土壤中的腐蝕物質(zhì)會(huì)沿防腐層破損處滲入防腐層與管壁的空隙中，發(fā)生局部腐蝕。根據(jù)EDS及XRD的分析結(jié)果可知，管道外表面的腐蝕產(chǎn)物主要由Fe3O4，F(xiàn)eO(OH)，SiO2組成，其中SiO2為與腐蝕產(chǎn)物結(jié)合在一起的土壤的主要成分，而Fe3O4，F(xiàn)eO(OH)均為含水的鐵的氧化物，說(shuō)明管道外表面腐蝕的主要類型為氧的去極化腐蝕[7],腐蝕機(jī)理如下[8-11]。

陽(yáng)極反應(yīng)為

Fe-2e-→Fe2+

(1)

陰極反應(yīng)為

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

總反應(yīng)為

Fe+O2+2H2O+2e-→Fe2++4OH-

(3)

Fe2+隨后發(fā)生水解，反應(yīng)為

Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+

(4)

亞鐵離子通常情況下很不穩(wěn)定，被進(jìn)一步氧化成三價(jià)的鐵離子，反應(yīng)為

4Fe2++6H2O+O2→4FeO(OH)+8H+

(5)

FeO(OH)即為Fe2O3·H2O，通常處于腐蝕產(chǎn)物的外層，失水后形成紅棕色的Fe2O3，這與EDS及XRD分析結(jié)果吻合。

外層腐蝕發(fā)生后，最初生成的腐蝕產(chǎn)物會(huì)覆蓋在金屬表面，形成一層腐蝕產(chǎn)物膜，會(huì)對(duì)輸油管道起到一定保護(hù)作用。與此同時(shí)，由于腐蝕產(chǎn)物膜較為疏松，在一定區(qū)域，土壤中的腐蝕介質(zhì)還會(huì)不斷地滲入,與管道外表面的金屬基體接觸，導(dǎo)致管道外表面的點(diǎn)蝕得以持續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，從穿孔處的能譜分析結(jié)果可知，其腐蝕產(chǎn)物中主要含有鐵和氧，同時(shí)還有一定量的氯元素。因?yàn)镃l-的穿透性較強(qiáng)，對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜有破壞作用，會(huì)降低腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體的保護(hù)能力，這就使得管道局部腐蝕程度不斷加劇，最終導(dǎo)致穿孔[12-14]。

3 結(jié)論及建議

輸油管道發(fā)生泄漏主要是外表面腐蝕引起的穿孔導(dǎo)致的。環(huán)焊縫防腐補(bǔ)口的密封失效而導(dǎo)致的外表面腐蝕是造成管道腐蝕失效的主要原因，同時(shí)土壤中的Cl-加速了腐蝕穿孔的發(fā)生。

在管道完整性管理中，應(yīng)加強(qiáng)防腐補(bǔ)口失效風(fēng)險(xiǎn)控制，主要包括：(1)根據(jù)管道輸送溫度及所處環(huán)境，合理選擇防腐補(bǔ)口方式及材料；(2)防腐補(bǔ)口材料應(yīng)經(jīng)國(guó)家計(jì)量認(rèn)證的檢測(cè)機(jī)構(gòu)或國(guó)外第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量評(píng)定檢驗(yàn)合格；(3)制定嚴(yán)格的防腐補(bǔ)口工藝，施工應(yīng)由具有業(yè)主認(rèn)定防腐資質(zhì)的施工單位承擔(dān)，補(bǔ)口操作人員應(yīng)根據(jù)所使用產(chǎn)品的特點(diǎn)進(jìn)行防腐施工培訓(xùn)并取得上崗證，方可進(jìn)行補(bǔ)口施工操作；(4)在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)定期開展防腐層直接檢測(cè)評(píng)價(jià)，并及時(shí)對(duì)防腐層破損管段開挖修復(fù)；(5)對(duì)于具備開展內(nèi)檢測(cè)條件的管道，可根據(jù)內(nèi)檢測(cè)結(jié)果和適用性評(píng)價(jià)結(jié)果開挖驗(yàn)證，并對(duì)防腐層破損管段及時(shí)修復(fù)。