劉 碩

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

管道運(yùn)輸是油氣資源快捷、高效、經(jīng)濟(jì)、安全的輸送方式,隨著近年來(lái)工業(yè)迅速發(fā)展以及由此帶來(lái)的能源需求飛速增長(zhǎng),油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)也得到迅猛發(fā)展。國(guó)外的油氣輸送管道建設(shè)歷史比較悠久,無(wú)論是陸地管線還是海洋管線,均已經(jīng)構(gòu)建了成熟的管道網(wǎng)絡(luò)體系,并穩(wěn)定運(yùn)營(yíng),為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在國(guó)內(nèi),油氣管線建設(shè)盡管起步較晚,但近年來(lái)呈現(xiàn)出跨越式發(fā)展態(tài)勢(shì),通過(guò)西氣東輸二線、西氣東輸三線、陜京四線、中俄東線等大口徑高輸量X80管道建設(shè),我國(guó)已經(jīng)成為世界上高等級(jí)X80管道鋪設(shè)與服役量最多的國(guó)家[1-2]。隨著去年國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司的正式成立,未來(lái)“十四五”期間,我國(guó)長(zhǎng)輸管道的投資、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)將統(tǒng)籌開(kāi)展,這將大大提高管線建設(shè)與輸送效率,確保實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫焊接是管道施工建設(shè)的主要工序和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不均勻加熱與冷卻造成非平衡凝固與固態(tài)相變,是焊接加工固有的特征,這也導(dǎo)致環(huán)縫焊接接頭成為整個(gè)管線系統(tǒng)理論上最薄弱的環(huán)節(jié),并對(duì)后續(xù)管線服役運(yùn)營(yíng)安全與各種失效風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生不利影響[3-4]。在役管線的失效破壞從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),是因?yàn)橥獠枯d荷(包括應(yīng)力應(yīng)變、腐蝕介質(zhì)、溫度、磨料摩擦磨損等)造成的失效破壞驅(qū)動(dòng)力超過(guò)了管道本身對(duì)失效破壞的阻力。所以,研究管道運(yùn)行失效模式與管道本身性能的相關(guān)性,有助于從根本上掌握管道失效破壞的規(guī)律,并根據(jù)具體的服役條件制定安全運(yùn)營(yíng)保障對(duì)策[5]。

針對(duì)高壓油氣輸送管線,服役過(guò)程中的失效破壞方式主要包括延性斷裂、脆性斷裂、疲勞開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕(SSCC)開(kāi)裂、氫致開(kāi)裂(HIC)等,特別是在輸送含有H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)以及管道服役外部大氣、土壤環(huán)境pH值變化與吸氫條件下,管道系統(tǒng)SSCC、HIC敏感性將增加,并經(jīng)常與脆性斷裂、疲勞開(kāi)裂交互作用,這將加速管道環(huán)縫焊接接頭的失效破壞[6]。針對(duì)管道系統(tǒng)施工與運(yùn)營(yíng)安全的工程臨界評(píng)估(ECA),BS7910標(biāo)準(zhǔn)給出了一般的方法與流程,針對(duì)不同保守度級(jí)別,在進(jìn)行服役載荷等效計(jì)算、線性分析的基礎(chǔ)上,對(duì)材料或結(jié)構(gòu)性能特征參數(shù)進(jìn)行輸入,可以得到特定條件下最大缺陷容許尺寸,并能夠計(jì)算結(jié)構(gòu)服役壽命。但是,該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮腐蝕介質(zhì)環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)安全的不利影響,對(duì)腐蝕介質(zhì)服役環(huán)境下接頭安全評(píng)價(jià)沒(méi)有直接指導(dǎo)作用。DNVGL-RP-F108標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合前期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),特別是參考DNVGL策劃并聯(lián)合工業(yè)界共同發(fā)起的JIP項(xiàng)目研究成果,提出了酸性腐蝕環(huán)境下管線管接頭斷裂與疲勞安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,通過(guò)在進(jìn)行斷裂韌性與疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試試驗(yàn)時(shí)引入典型酸性環(huán)境,特別是使H+在疲勞裂紋尖端充分?jǐn)U散并聚集,加速裂紋擴(kuò)展與斷裂失效,并將酸性環(huán)境下得到的斷裂韌性與疲勞裂紋擴(kuò)展速率值作為后續(xù)ECA評(píng)估的輸入?yún)?shù),從而充分考慮酸性腐蝕環(huán)境對(duì)管線鋼管環(huán)縫焊接接頭運(yùn)行安全的影響。

2 服役條件下管線鋼管的失效模式

表1 不同種類載荷引起的管線失效模式

3 管線鋼管的應(yīng)力腐蝕與氫致開(kāi)裂

SSCC是在拉伸應(yīng)力(外部載荷或焊接殘余應(yīng)力)和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下產(chǎn)生的一種低應(yīng)力失效破壞。一般認(rèn)為,SSCC是由于材料內(nèi)部電極電位差形成了原電池效應(yīng),由此引起的陽(yáng)極溶解以及陰極氫致脆化共同造成。所以,SSCC與HIC經(jīng)常同時(shí)發(fā)生作用,如圖1所示。陽(yáng)極(原電池的負(fù)極)反應(yīng)為:M=M++e-,也就是較活潑金屬被氧化,并釋放出自由電子。陰極(原電池的正極)反應(yīng)為:e-+H+=H,也就是聚集在陰極的氫離子發(fā)生還原反應(yīng),得到自由電子后生成氫分子,并以氫氣的形式擴(kuò)散逸出。外部拉伸應(yīng)力的作用將加速陽(yáng)極溶解與陰極氫離子聚集與還原,增加SSCC敏感性[5]。

圖1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂機(jī)理

一般地,SSCC由應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子(KⅠ SCC,可以通過(guò)斷裂力學(xué)的方法測(cè)得)定量表示,當(dāng)裂紋前端應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ>KⅠ SCC時(shí),就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效破壞。針對(duì)寶鋼生產(chǎn)的X65MS管線鋼管,已有基于NACE TM 0177溶液(0.5%醋酸、5%氯化鈉、飽和硫化氫水溶液)、應(yīng)用GB12445.3規(guī)定的楔形張開(kāi)加載預(yù)裂紋應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法,分別研究管體母材、焊接熱影響區(qū)、焊縫金屬臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子(KⅠ SCC)與裂紋擴(kuò)展速率(da/dt)。結(jié)果表明:管體母材與焊縫金屬具有較高的抗SSCC能力,這主要與其存在的尺寸較小、交叉分布、大角度晶界明顯、高密度亞結(jié)構(gòu)與可動(dòng)位錯(cuò)的針狀鐵素體與下貝氏體組織狀態(tài)有關(guān),這種組織類型在拉應(yīng)力誘導(dǎo)硫化氫腐蝕介質(zhì)中開(kāi)裂時(shí)具有很高的能量,表現(xiàn)出較強(qiáng)的SSCC抗力。然而,熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織以粒狀貝氏體、粗大板條狀貝氏體、多邊形鐵素體為主,晶粒粗大,硬度較高,在拉伸應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下很容易發(fā)生失效。綜合來(lái)看,X65MS管線管及其焊接接頭在含有Cl-的H2S腐蝕環(huán)境下,具有較高的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。因?yàn)槠诹鸭y尖端存在較大的應(yīng)力集中,H+在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下向裂紋尖端擴(kuò)散并聚集,而焊接過(guò)程中形成的顯微缺陷、空洞、不連續(xù)與非金屬夾雜等,也會(huì)成為氫陷阱而使氫發(fā)生聚集形成氫分子,當(dāng)氫分壓很高并超過(guò)材料斷裂強(qiáng)度時(shí),就發(fā)生失效斷裂[8]。

應(yīng)用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT)進(jìn)行SSCC敏感性評(píng)價(jià),屬于動(dòng)載荷試驗(yàn)方法,能夠精確控制應(yīng)變速率和腐蝕速率兩個(gè)重要參數(shù)。已有研究表明:如果應(yīng)變速率過(guò)大,材料還來(lái)不及發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效,便發(fā)生了塑性斷裂。反之,如果應(yīng)變速率很小,腐蝕鈍化膜破裂后,有足夠的時(shí)間重新發(fā)生鈍化,使裂紋尖端金屬避免發(fā)生陽(yáng)極溶解與陰極析氫的腐蝕破壞。在保證不發(fā)生重新鈍化的前提下,應(yīng)變速率降低,增加了氫在裂紋尖端擴(kuò)散聚集的程度,加速材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的進(jìn)度。當(dāng)H2S等腐蝕介質(zhì)濃度升高時(shí),SSCC敏感性增加。從電化學(xué)腐蝕的角度分析,焊接接頭區(qū)域組織粗大、微小焊接缺陷與結(jié)構(gòu)不連續(xù)多,并存在較高的焊接殘余拉應(yīng)力,即使焊縫和管體母材化學(xué)成分接近,焊縫區(qū)域電位也低于管體母材,在發(fā)生原電池反應(yīng)時(shí),焊縫優(yōu)先被腐蝕。同時(shí),焊縫的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管體母材,這種小陽(yáng)極(焊縫)大陰極(管體母材)原電池效應(yīng)將加速焊縫區(qū)域的腐蝕[9]。

目前工業(yè)界普遍應(yīng)用的四點(diǎn)彎曲恒載荷SSCC敏感性評(píng)價(jià)試驗(yàn)中,普遍采用NACE A標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行。然而,當(dāng)前已有研究表明:對(duì)于碳鋼與低合金鋼管而言,NACE A標(biāo)準(zhǔn)溶液偏苛刻。因?yàn)閷?duì)于H2S含量較高的輸送介質(zhì),一般應(yīng)用耐蝕鋼管或雙金屬?gòu)?fù)合管輸送至處理場(chǎng)站,經(jīng)過(guò)處理的輸送介質(zhì)H2S含量大大降低。從合于使用的角度考慮,有必要開(kāi)發(fā)新的符合實(shí)際使用場(chǎng)所的SSCC試驗(yàn)溶液,降低評(píng)價(jià)結(jié)果的保守度。通過(guò)不同腐蝕介質(zhì)環(huán)境的SSCC敏感性評(píng)估,找到適合不同腐蝕介質(zhì)服役場(chǎng)合的臨界腐蝕溶液條件[5,10]。

HIC是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,針對(duì)氫致開(kāi)裂的機(jī)理研究也有很多。一般認(rèn)為:金屬材料或焊接接頭中的氫原子在應(yīng)力作用下容易向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三向應(yīng)力集中區(qū)聚集,包括裂紋或缺口尖端、晶界或相界面、位錯(cuò)聚集處、應(yīng)變集中處等,氫原子濃度增大,一者可能由于內(nèi)壓力過(guò)大發(fā)生斷裂,二者可以降低晶粒間結(jié)合力或相界面結(jié)合力,從而引起脆性斷裂。焊接接頭中的氫可能來(lái)源于母材或焊接材料,也可能來(lái)源于外界環(huán)境的滲透。當(dāng)SSCC與HIC存在交互作用時(shí),對(duì)接頭的危害作用更大[5-6]。圖2所示為氫致開(kāi)裂機(jī)理。

圖2 氫致開(kāi)裂機(jī)理

已有研究表明:環(huán)境中氫濃度、材料或結(jié)構(gòu)在氫氣氛中的暴露時(shí)間以及材料或結(jié)構(gòu)組織狀態(tài)等因素,都對(duì)氫致開(kāi)裂具有重要影響。通過(guò)在不同pH值溶液中電化學(xué)充氫并評(píng)價(jià)對(duì)X70管線鋼材料力學(xué)性能的影響得知:隨著溶液pH值的降低、充氫時(shí)間的延長(zhǎng),氫脆敏感性增加。特別地,材料中的溶質(zhì)原子、空位、位錯(cuò)、晶界以及夾雜物都是高能量氫陷阱,對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的氫損傷具有非常重要的作用。然而,通過(guò)對(duì)實(shí)際的X70管線鋼電化學(xué)充氫試驗(yàn)后SEM與EDS分析發(fā)現(xiàn):氮化物與氫致開(kāi)裂行為沒(méi)有必然聯(lián)系,而Ca、Al、Mg的氧化物以及Ca的硫化物對(duì)HIC具有不利影響。這也為今后該領(lǐng)域材料設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)方向[11]。

4 酸性介質(zhì)下的工程臨界評(píng)估(ECA)

工程臨界評(píng)估(ECA)是基于合于使用原則,以斷裂力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)及可靠性系統(tǒng)工程為基礎(chǔ),在承認(rèn)焊接結(jié)構(gòu)中可能存在形狀尺寸、性能指標(biāo)偏差和宏觀缺陷的前提下,通過(guò)進(jìn)行等效應(yīng)力分析、斷裂力學(xué)分析、材料試驗(yàn)、質(zhì)量檢查、無(wú)損探傷等過(guò)程,保證結(jié)構(gòu)在施工和服役期間不發(fā)生任何可預(yù)見(jiàn)的如脆性破壞、疲勞失效、應(yīng)力腐蝕失效等事故。當(dāng)前,基于BS7910標(biāo)準(zhǔn)的ECA評(píng)估方法得到業(yè)界廣泛認(rèn)可[12-13]。

BS7910評(píng)定方法以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ),采用失效評(píng)定圖(FAD)進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)斷裂力學(xué)理論,當(dāng)受載結(jié)構(gòu)中存在裂紋等缺陷時(shí),裂紋尖端將產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力并導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展,該驅(qū)動(dòng)力稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子(KⅠ),與結(jié)構(gòu)所受載荷以及裂紋長(zhǎng)度正相關(guān)。當(dāng)材料的斷裂韌性KⅠc>KⅠ時(shí),裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài),不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。否則,裂紋將一直擴(kuò)展直到結(jié)構(gòu)破壞。基于BS7910的ECA安全評(píng)估,根據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量、保守程度可以分成1～3級(jí),1級(jí)最低,3級(jí)最高。評(píng)估級(jí)別越高,需要的數(shù)據(jù)量越多,保守程度越低。

對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的載荷和缺陷所在位置、材料性能等進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算得到評(píng)定點(diǎn)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo),確定該點(diǎn)在FAD圖中的位置。如果評(píng)定點(diǎn)位于坐標(biāo)軸和FAD曲線所包圍的區(qū)域,該缺陷可接受,否則缺陷不可接受。典型的二級(jí)評(píng)定FAD曲線如圖3所示。

圖3 基于BS7910標(biāo)準(zhǔn)的工程臨界評(píng)估二級(jí)評(píng)定FAD曲線

然而,針對(duì)酸性介質(zhì)腐蝕環(huán)境下的管線管焊接接頭的ECA評(píng)估,BS7910標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有考慮,也沒(méi)有酸性環(huán)境服役性能和數(shù)據(jù)的輸入路徑。一般認(rèn)為:應(yīng)用酸性環(huán)境下得到的材料或結(jié)構(gòu)斷裂韌性值作為輸入條件,即可認(rèn)為考慮了酸性環(huán)境對(duì)接頭整體安全的影響。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)公開(kāi)的報(bào)道中尚未發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境接頭斷裂韌性評(píng)價(jià)。DNVGL-RP-F108標(biāo)準(zhǔn)給出了酸性介質(zhì)腐蝕環(huán)境下管線管焊接接頭ECA評(píng)估的應(yīng)用準(zhǔn)則,主要是針對(duì)ECA評(píng)估過(guò)程中最重要的輸入?yún)⒘俊牧匣蚪Y(jié)構(gòu)斷裂韌性,通過(guò)在酸性環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,反映出酸性環(huán)境中預(yù)制疲勞裂紋尖端H+聚集對(duì)后續(xù)加載斷裂過(guò)程的不利影響,并以此作為ECA評(píng)估的材料性能參量。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)前期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與JIP項(xiàng)目研究成果,對(duì)預(yù)制疲勞裂紋后的斷裂韌性試樣的浸泡試液pH值范圍、外部充入H2S分壓、溫度、裂紋以外的表面防護(hù)、應(yīng)變加載速率等參數(shù)提出了指導(dǎo)建議,具有良好的可操作性。同時(shí),對(duì)于應(yīng)用于酸性腐蝕環(huán)境并且疲勞敏感的場(chǎng)合,提出了酸性環(huán)境疲勞裂紋擴(kuò)展速率(FCGR)評(píng)價(jià)方法,并考慮了應(yīng)力強(qiáng)度因子幅(ΔK)對(duì)裂紋擴(kuò)展與鈍化閉合的影響、動(dòng)載頻率對(duì)FCGR的影響、腐蝕介質(zhì)與疲勞載荷的交互作用等,在這種條件下得到的FCGR值,可以作為后續(xù)酸性服役環(huán)境動(dòng)載場(chǎng)合ECA評(píng)估的材料性能輸入?yún)⒘俊?/p>

5 技術(shù)展望

隨著石油天然氣資源開(kāi)采速度的提高,今后將面臨更多存在腐蝕介質(zhì)的油氣開(kāi)采與輸送,所以,針對(duì)油氣輸送管道特別是環(huán)縫焊接接頭在酸性腐蝕介質(zhì)中的安全與失效行為,需要開(kāi)展持續(xù)系統(tǒng)研究,包括酸性服役環(huán)境下環(huán)焊接頭脆性斷裂、腐蝕疲勞以及SSCC、HIC交互作用的不利影響等,并結(jié)合實(shí)際的腐蝕介質(zhì)特性,評(píng)估當(dāng)前NACE標(biāo)準(zhǔn)溶液的合于使用性,從而能夠準(zhǔn)確反映管線管實(shí)際的服役條件。結(jié)合大尺寸或整管試驗(yàn)評(píng)估,針對(duì)SSCC、HIC以及疲勞與斷裂的交互作用,從電化學(xué)、斷裂力學(xué)、系統(tǒng)工程的角度進(jìn)行全面解析,為提高今后油氣輸送管線系統(tǒng)整體安全、降低設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)成本提供技術(shù)指導(dǎo)。