王志勇，周昌輝，詹先波，陳 剛，馮 娟

（1.山西國化能源有限責任公司，太原 030000；2.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028；3.延長油田股份有限公司子長采油廠，陜西 延安 717300）

1概述

L245N鋼是屈服強度≥245 MPa的PSL2等級管線鋼管的使用材料，其性能和20鋼相似。L245N鋼作為工程上常用的輸氣管線管用材，通常只適用于氣體條件不苛刻的場合，發(fā)生泄露的概率較低。2020年7月，某煤層氣工程站場規(guī)格為Φ219 mm×6.3 mm的L245N無縫鋼管發(fā)生泄露失效，鋼管按GB/T 9711—2011標準中的PSL2等級進行生產(chǎn)。該管線于2017年12月1日投產(chǎn)運行，服役時間約2.5年，管道運行壓力為4.96～5.96 MPa，運行溫度為8～25℃，管道內(nèi)部輸送介質(zhì)除了煤層氣之外，還含一定量的煤粉等固體物質(zhì)。經(jīng)現(xiàn)場勘查得知，失效鋼管處于管線爬坡段的起始點位置，鋼管在此處由平坦的河谷路段開始向山上敷設(shè)。失效鋼管爆裂后，噴濺出大量黑色煤粉狀物質(zhì)。本研究通過對失效鋼管進行斷口和理化性能分析，查找輸氣管線泄露原因，并提出了相應(yīng)建議。

2 管體性能檢測與分析

2.1 斷口分析

失效管線鋼管表面覆蓋黑色防腐層，為了便于后續(xù)的尺寸測量，將防腐層剝?nèi)ァＳ^察發(fā)現(xiàn)失效管線管的斷口邊緣減薄非常明顯，邊緣處的管壁厚度不足2 mm，具有典型的氣體爆破斷口特征，如圖1所示。觀察破裂處管體內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)斷口兩側(cè)附近管體減薄明顯，并且觀察到大量彌散分布的腐蝕坑，腐蝕坑主要集中在圖2中白線與斷口之間的區(qū)域，兩條白線之間的區(qū)域沒有觀察到明顯的局部腐蝕形貌，在局部腐蝕集中的區(qū)域觀察到有較深的點蝕坑。在距斷口邊緣約15 mm處，每間隔約40 mm測量一個點，沿鋼管周向測量一周，沿斷口輪廓測量管體壁厚，結(jié)果顯示，距斷口輪廓邊緣約15 mm處的管體壁厚最薄處僅為1.95 mm，該處管體周長約為705 mm，經(jīng)計算管體外徑約為224 mm（原始外徑219 mm），表明鋼管失效前已經(jīng)發(fā)生明顯的塑性變形。

圖1 失效鋼管斷口邊緣宏觀形貌

圖2 失效鋼管管體內(nèi)腐蝕形貌

對遠離斷口邊緣的區(qū)域進行壁厚檢測，如圖3所示，圖3中網(wǎng)格線的交點位置即為壁厚測量點，最薄點的壁厚僅為3.45 mm，遠小于鋼管的設(shè)計壁厚6.3 mm。由檢測結(jié)果可知，雖然破裂管體兩條白線之間的區(qū)域沒有觀察到明顯的局部腐蝕坑，但也存在壁厚減薄的現(xiàn)象。在未破裂的管段上等距離選取12個截面，在每個截面上等距離選擇8個點進行壁厚與外徑測量，結(jié)果顯示未破裂的管段也存在壁厚減薄現(xiàn)象，但管體外徑?jīng)]有發(fā)生明顯的變化。

圖3 遠離斷口區(qū)域鋼管壁厚測量點

2.2 化學成分分析

在失效管體上取樣，依據(jù)GB/T 4336—2016，采用ARL 4460直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。通過表1可以看出，失效管體的化學成分滿足標準對L245N鋼管的要求。

表1 失效管體化學成分分析結(jié)果

2.3 力學性能分析

在失效管體的未破裂管段上，選取壁厚減薄相對均勻的位置取樣，依據(jù)ASTM A370—19ε1進行縱向拉伸和沖擊試驗。失效管體的拉伸性能試驗結(jié)果見表2，夏比V形缺口沖擊試驗結(jié)果見表3。需要指出的是，GB/T 9711—2011要求在0℃下的10 mm×10 mm×55 mm全尺寸試樣的沖擊吸收能最低為27 J，而由于管體壁厚減薄嚴重，本試驗夏比V形缺口沖擊試驗僅能取出3.3 mm厚的縱向沖擊試樣，所取的1/3壁厚試樣沖擊吸收能的最低值為33 J。由表2和表3的試驗結(jié)果可知，失效管體的拉伸與沖擊試驗結(jié)果均符合標準要求。

表2 失效管體縱向拉伸試驗結(jié)果

表3 0℃時失效管體夏比V形缺口沖擊試驗結(jié)果

2.4 金相分析

沿管體的縱向切取2個金相試樣。試樣1取自圖2破裂管體兩條白線之間的無蝕坑區(qū)域，試樣2取自斷口旁邊蝕坑（沿縱向中線剖開），金相試驗按照GB/T 13298—2015、GB/T 10561—2005、GB/T 6394—2017進行，試驗結(jié)果見表4，金相組織形貌如圖6所示。

表4 失效管體試樣金相檢測結(jié)果

圖4 失效管體金相組織形貌

3 失效原因分析

對失效的Φ219 mm×6.3 mm L245N管線管進行化學成分分析和力學性能檢測，檢測結(jié)果均符合GB/T 9711—2011的要求。通過壁厚檢測發(fā)現(xiàn)失效鋼管的壁厚嚴重減薄，并且在斷口附近存在明顯的內(nèi)壁局部腐蝕。根據(jù)管線資料可知，該條管線依據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》設(shè)計，標準從管道強度設(shè)計的角度對管道直管壁厚提出了以下設(shè)計公式，即

式中：δ——鋼管計算壁厚，mm；

P——設(shè)計壓力，MPa；

D——鋼管外徑，mm；

δS——標準規(guī)定的鋼管最小屈服強度，MPa；

φ——焊縫系數(shù)；

F——強度設(shè)計系數(shù)；

t——溫度折減系數(shù)，當溫度＜120℃時，t=1.0。

將設(shè)計壓力6.3 MPa、鋼管外徑219 mm、標準規(guī)定鋼管最小屈服強度245 MPa代入公式（1）計算鋼管壁厚。其中，溫度折減系數(shù)取1.0，焊縫系數(shù)取1.0（實際上焊縫系數(shù)最大值僅能取到0.9），強度設(shè)計系數(shù)取1.0（實際上根據(jù)標準要求強度設(shè)計系數(shù)的取值范圍為0.4～0.8），這樣即使在無任何安全裕量的情況下，計算得出鋼管的設(shè)計壁厚應(yīng)為3.52 mm?？紤]到管線實際的運行壓力小于管線的設(shè)計壓力，同時失效鋼管的屈服強度為281 MPa，大于標準規(guī)定的最低屈服強度245 MPa，因此將實際值帶入上述計算公式計算，即設(shè)計壓力取5.96 MPa，鋼管標準規(guī)定的最小屈服強度取281 MPa，其他參數(shù)不變，這樣在無任何安全裕量的情況下，計算得出鋼管設(shè)計壁厚為2.32 mm，大于在失效管線管斷口邊緣附近測得的最小壁厚（1.95 mm）。因此，斷口附近的剩余壁厚不足以承載管線運行壓力，最終導致鋼管發(fā)生爆破失效。

通過現(xiàn)場調(diào)研可知，該條管線的輸送介質(zhì)中含有一定量的固體煤粉，同時管線失效位置處于整個管線爬坡段的最低點，介質(zhì)輸送到此處易形成湍流，高壓氣體攜帶著固體顆粒在此處對管壁進行沖刷，管體內(nèi)壁金屬在固體顆粒的沖蝕作用下不斷損耗，造成管壁不斷減薄，隨著管壁的減薄，管線的承載能力不斷下降，當管體某處的壁厚低于臨界值時，將發(fā)生爆破失效。

綜上所述，依據(jù)失效管線管的斷口分析、化學成分分析、力學性能檢測以及強度校核結(jié)果可知，管線鋼管的失效模式為塑性爆破失效，失效的直接原因是由于輸送介質(zhì)沖蝕作用導致鋼管壁厚嚴重減薄，從而使管材承壓能力下降，最終鋼管在內(nèi)壓的作用下發(fā)生塑性爆破失效。

4 結(jié)論和建議

（1）失效鋼管的化學成分與力學性能符合GB/T 9711—2011標準對L245N鋼管的要求。

（2）輸送介質(zhì)中的固體煤粉對管線沖蝕作用是導致管壁顯著減薄的主要原因，管壁減薄使鋼管承壓能力不足是導致鋼管爆破失效的直接原因。

（3）盡可能降低鋼管輸送介質(zhì)中的固體含量，延長鋼管的使用壽命。

（4）未對鋼管進行全面排查與檢修前，建議管線停輸，防止鋼管失效造成人員傷亡與財產(chǎn)損失。對管線加強日常運行維護，進行內(nèi)、外檢測與安全評價，根據(jù)評價結(jié)果做出相應(yīng)的處置措施。