李銳峰

(1.吐哈石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司 物資保障中心, 哈密 839009；2.長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠, 西安 710018；3.長(zhǎng)慶油田分公司第四采油廠, 銀川 750000；4.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司, 西安 710077)

油氣管道是開(kāi)采和輸送油氣的重要通道，是保證油氣田正常生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的重要產(chǎn)品[1-4]，其質(zhì)量要保證能夠維持一定的油氣開(kāi)采年限[5-8]。隨著能源需求量的增加和國(guó)家保障能源安全戰(zhàn)略要求的實(shí)施，油氣勘探力度不斷加大，管體斷裂事故不斷增加，給油田帶來(lái)巨大損失[9-12]。

某采氣廠發(fā)生油氣管道管體開(kāi)裂事故，嚴(yán)重影響了工作進(jìn)度。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該管道的開(kāi)裂原因進(jìn)行分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開(kāi)裂管道規(guī)格為76 mm×5 mm(外徑×壁厚)，送檢的管段長(zhǎng)度為930 mm，開(kāi)裂處位于管段中部，沿縱向開(kāi)裂，開(kāi)裂口縱向長(zhǎng)度為80 mm，最大張開(kāi)寬度為7 mm，開(kāi)裂處存在輕微鼓脹變形(見(jiàn)圖1)，并可見(jiàn)壁厚減薄，且呈45°剪切特征(見(jiàn)圖2)。裂口周圍的防腐層破損脫落，其余部位的防腐層呈龜裂形貌。因裂口兩側(cè)管體發(fā)生塑性變形，故兩側(cè)斷口無(wú)法完全對(duì)接(見(jiàn)圖3)。將開(kāi)裂部位的管體縱向剖開(kāi)，發(fā)現(xiàn)管體內(nèi)表面呈紅褐色，有均勻的腐蝕形貌(見(jiàn)圖4)。

圖1 開(kāi)裂管段宏觀形貌

圖2 開(kāi)裂部位宏觀形貌

圖3 兩側(cè)裂口對(duì)接后宏觀形貌

圖4 開(kāi)裂部位內(nèi)表面宏觀形貌

1.2 壁厚及外徑測(cè)量

使用MMX-6DL型超聲波測(cè)厚儀對(duì)開(kāi)裂管道的壁厚進(jìn)行測(cè)量。管道開(kāi)裂區(qū)域的壁厚測(cè)量點(diǎn)如圖5所示，由A～B端取5個(gè)剖面進(jìn)行壁厚測(cè)量，每個(gè)剖面沿周向取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知：遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位的管道平均壁厚為5.52～5.67 mm，最小壁厚為5.36 mm。開(kāi)裂所在的鼓脹區(qū)平均壁厚為5.00～5.15 mm，最小壁厚為4.62 mm。分別測(cè)量管體鼓脹區(qū)及遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位管道的外徑，結(jié)果如表2所示。管道壁厚及管徑測(cè)量結(jié)果表明，裂口位置發(fā)生了明顯的塑性變形及壁厚減薄。

圖5 管道開(kāi)裂區(qū)域的壁厚測(cè)量點(diǎn)分布示意

表1 管道壁厚測(cè)量結(jié)果 mm

表2 管道外徑測(cè)量結(jié)果 mm

1.3 外防腐層性能檢測(cè)

依據(jù)SY/T 0315—2013 《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》，選取遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位外防腐層進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。由表3可知：管道外防腐層性能檢測(cè)結(jié)果符合SY/T 0315—2013的要求。

表3 管道外防腐層性能檢測(cè)結(jié)果

1.4 化學(xué)成分分析

依據(jù)ASTM A751-14a 《鋼制品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)操作和術(shù)語(yǔ)》,采用ARL 4460型直讀光譜儀及TC600型氧氮分析儀對(duì)遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位的管道進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，管道的化學(xué)成分均符合GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》要求。

表4 開(kāi)裂管道的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.5 拉伸試驗(yàn)

從遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位的管道上截取試樣，在UTM5305型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.6 維氏硬度測(cè)試

從遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位的管道處截取試樣，使用KB30BVZ-FA型維氏硬度計(jì)測(cè)試管道的維氏硬度，在試樣外表面、中間、內(nèi)表面3個(gè)部分分別測(cè)試3個(gè)點(diǎn)(見(jiàn)圖6)，測(cè)試結(jié)果如表6所示。硬度測(cè)試結(jié)果表明：材料硬度符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 維氏硬度測(cè)試點(diǎn)分布示意

表6 維氏硬度測(cè)試結(jié)果 HV

1.7 金相檢驗(yàn)

從遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位的管道上截取試樣，依據(jù)ASTM E3-11(2017) 《金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)指南》,ASTM E45-18a 《鋼中夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》,ASTM E112-13 《平均晶粒度測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，用光學(xué)顯微鏡觀察試樣，結(jié)果如表7(表中F為鐵素體，P為珠光體)及圖7所示。

表7 遠(yuǎn)離開(kāi)裂處試樣的非金屬夾雜物、晶粒度檢測(cè)結(jié)果

圖7 遠(yuǎn)離開(kāi)裂處試樣的顯微組織形貌

1.8 斷口分析

管體開(kāi)裂部位經(jīng)超聲波清洗后觀察兩側(cè)斷口，其宏觀形貌如圖8所示。由圖8可知，原始斷口處厚度有明顯減薄，斷面為紅褐色，表面覆蓋了一層較厚的腐蝕產(chǎn)物。對(duì)剪切唇一側(cè)斷口用乙醇清洗并觀察斷面，發(fā)現(xiàn)其為典型的45°剪切斷口，斷口表面呈纖維狀；斷口內(nèi)未發(fā)現(xiàn)特征花樣及裂紋源區(qū)。

圖8 斷口兩側(cè)宏觀形貌

清理45°斷口表面腐蝕產(chǎn)物，采用VEGAⅡ型掃描電鏡(SEM)觀察。斷口近內(nèi)、外表面SEM形貌如圖9所示。高倍下觀察斷口形貌，斷口表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物，可見(jiàn)金屬基體部位均呈韌窩形貌。微觀斷口形貌存在大量韌窩，表明該管段為典型的韌性斷裂。結(jié)合宏觀斷口特征可知：斷口處管體有明顯鼓包塑性變形；由斷口的宏觀形貌及微觀形貌特征可知，該管段斷裂模式為塑性斷裂。

圖9 斷口近內(nèi)、外表面SEM形貌

從斷口處截取試樣(見(jiàn)圖10)，依據(jù)ASTM E3-11(2017)進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果表明試樣斷口處顯微組織沿周向拉伸變形，組織均為F+P(見(jiàn)圖11)。

圖10 斷口處金相試樣的截取位置

圖11 斷口處顯微組織形貌

對(duì)開(kāi)裂斷口處的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，其主要成分有Fe、C、O、Ca、Mn元素等(見(jiàn)圖12)。

圖12 斷口處腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置及其能譜圖

2 氫致開(kāi)裂試驗(yàn)

從遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位的管道上截取縱向試樣，尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為100 mm×20 mm×5 mm，依據(jù)GB/T 8650—2015 《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開(kāi)裂評(píng)定方法》進(jìn)行抗氫致開(kāi)裂(HIC)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表8所示，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示(表中CSR為裂紋敏感率，CLR為裂紋長(zhǎng)度率，CTR為裂紋厚度率)，96 h HIC試驗(yàn)前后試樣表面的宏觀形貌如圖13所示。試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 HIC試驗(yàn)條件

表9 HIC試驗(yàn)測(cè)得的裂紋率 %

圖13 96 h HIC試驗(yàn)前后試樣表面宏觀形貌

3 硫化物應(yīng)力開(kāi)裂試驗(yàn)

從遠(yuǎn)離開(kāi)裂部位的管道上截取縱向試樣，依據(jù)GB/T 4157—2017 《金屬在硫化氫環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》方法A，進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂(SSC)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示，720 h SSC試驗(yàn)后，試樣表面的宏觀形貌如圖14所示。試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

表10 SSC試驗(yàn)結(jié)果

圖14 720 h SSC試驗(yàn)后試樣表面的宏觀形貌

4 有限元分析

用有限元分析軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行模擬，有助于直觀地對(duì)開(kāi)裂原因及過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。管內(nèi)介質(zhì)設(shè)置為天然氣和水，與實(shí)際情況一致。開(kāi)井作業(yè)后，管體內(nèi)流體分布及開(kāi)裂部位附近形變和應(yīng)力分布如圖15～16所示。由圖15～16可知：在管道起伏部位，開(kāi)井作業(yè)幾分鐘后，管道內(nèi)發(fā)生湍流，造成局部水壓增大?？拷h(huán)焊縫兩端管體外弧側(cè)，在介質(zhì)流動(dòng)的作用下，易形成湍流漩渦，所受沖擊載荷較大，會(huì)造成管壁減薄，韌性降低；在開(kāi)井作業(yè)情況下，閥門開(kāi)啟后，環(huán)焊縫兩側(cè)應(yīng)力分布較大，易產(chǎn)生水擊效應(yīng)，造成壁厚不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道脹裂。

圖15 開(kāi)井作業(yè)后管道內(nèi)流體分布

圖16 開(kāi)井作業(yè)后管道形變和應(yīng)力分布

5 綜合分析

對(duì)開(kāi)裂管段正常部位進(jìn)行管段外防腐層檢測(cè)、壁厚及直徑測(cè)量、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、維氏硬度測(cè)試、HIC試驗(yàn)、SCC試驗(yàn)，其結(jié)果均符合SY/T 0315—2013和GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

由宏觀觀察結(jié)果可知，開(kāi)裂部位的管道存在輕微鼓包變形，爆裂起源于鼓脹變形量最大、壁厚減薄最大處，鼓脹區(qū)最大直徑為90.76 mm，減薄處最小壁厚為4.62 mm，減薄明顯。斷口呈典型的45°剪切斷口，為典型的塑性斷口。斷口處壁厚明顯減薄，該部位組織沿周向拉伸變形，未見(jiàn)明顯脫碳特征，管道內(nèi)、外表面未見(jiàn)明顯腐蝕坑或裂紋等；斷口呈現(xiàn)韌窩形貌。該管段在開(kāi)裂之前發(fā)生屈服塑性變形。同時(shí)進(jìn)一步對(duì)斷口處產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，其主要成分為Fe、C、O、Ca、Mn等元素，主要是鐵的氧化物，未發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

綜上所述，該管段開(kāi)裂的主要原因是該段管道特殊的地理位置，且開(kāi)井作業(yè)后引起管道壓力突然增加，造成管體局部發(fā)生鼓脹，進(jìn)一步導(dǎo)致管道爆裂。

6 結(jié)論與建議

(1) 開(kāi)裂管道正常部位的外防腐層檢測(cè)、幾何尺寸測(cè)量、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、維氏硬度測(cè)試、抗氫致開(kāi)裂試驗(yàn)、抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均符合SY/T 0315—2013和GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 管段的開(kāi)裂模式為塑性斷裂。

(3) 為減小水擊效應(yīng)的影響，建議適當(dāng)增加該段管道的壁厚和強(qiáng)度，并優(yōu)化該段管道的布置；在開(kāi)井作業(yè)時(shí)，在條件允許的情況下，建議適當(dāng)延長(zhǎng)閥門的動(dòng)作時(shí)間。