李銳峰

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

油氣管道是開采和輸送油氣的重要通道，是保證油氣田正常生產(chǎn)開發(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采年限[5-8]。隨著能源需求量的增加和國家保障能源安全戰(zhàn)略要求的實施，油氣勘探力度不斷加大，管體斷裂事故不斷增加，給油田帶來巨大損失[9-12]。

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

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂管道規(guī)格為76 mm×5 mm(外徑×壁厚)，送檢的管段長度為930 mm，開裂處位于管段中部，沿縱向開裂，開裂口縱向長度為80 mm，最大張開寬度為7 mm，開裂處存在輕微鼓脹變形(見圖1)，并可見壁厚減薄，且呈45°剪切特征(見圖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)斷口無法完全對接(見圖3)。將開裂部位的管體縱向剖開，發(fā)現(xiàn)管體內(nèi)表面呈紅褐色，有均勻的腐蝕形貌(見圖4)。

圖1 開裂管段宏觀形貌

圖2 開裂部位宏觀形貌

圖3 兩側(cè)裂口對接后宏觀形貌

圖4 開裂部位內(nèi)表面宏觀形貌

1.2 壁厚及外徑測量

使用MMX-6DL型超聲波測厚儀對開裂管道的壁厚進(jìn)行測量。管道開裂區(qū)域的壁厚測量點如圖5所示，由A～B端取5個剖面進(jìn)行壁厚測量，每個剖面沿周向取8個測量點，測量結(jié)果如表1所示。由表1可知：遠(yuǎn)離開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。分別測量管體鼓脹區(qū)及遠(yuǎn)離開裂部位管道的外徑，結(jié)果如表2所示。管道壁厚及管徑測量結(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 管道開裂區(qū)域的壁厚測量點分布示意

表1 管道壁厚測量結(jié)果 mm

表2 管道外徑測量結(jié)果 mm

1.3 外防腐層性能檢測

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)離開裂部位外防腐層進(jìn)行檢測，結(jié)果如表3所示。由表3可知：管道外防腐層性能檢測結(jié)果符合SY/T 0315—2013的要求。

表3 管道外防腐層性能檢測結(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)試驗方法、試驗操作和術(shù)語》,采用ARL 4460型直讀光譜儀及TC600型氧氮分析儀對遠(yuǎn)離開裂部位的管道進(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 開裂管道的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.5 拉伸試驗

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

1.6 維氏硬度測試

從遠(yuǎn)離開裂部位的管道處截取試樣，使用KB30BVZ-FA型維氏硬度計測試管道的維氏硬度，在試樣外表面、中間、內(nèi)表面3個部分分別測試3個點(見圖6)，測試結(jié)果如表6所示。硬度測試結(jié)果表明：材料硬度符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 維氏硬度測試點分布示意

表6 維氏硬度測試結(jié)果 HV

1.7 金相檢驗

從遠(yuǎn)離開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定——標(biāo)準(zhǔn)檢驗法》,ASTM E112-13 《平均晶粒度測定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，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)離開裂處試樣的非金屬夾雜物、晶粒度檢測結(jié)果

圖7 遠(yuǎn)離開裂處試樣的顯微組織形貌

1.8 斷口分析

管體開裂部位經(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(見圖10)，依據(jù)ASTM E3-11(2017)進(jìn)行金相檢驗,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

對開裂斷口處的腐蝕產(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 氫致開裂試驗

從遠(yuǎn)離開裂部位的管道上截取縱向試樣，尺寸(長×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裂評定方法》進(jìn)行抗氫致開裂(HIC)試驗，試驗條件如表8所示，試驗結(jié)果如表9所示(表中CSR為裂紋敏感率，CLR為裂紋長度率，CTR為裂紋厚度率)，96 h HIC試驗前后試樣表面的宏觀形貌如圖13所示。試驗結(jié)果符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 HIC試驗條件

表9 HIC試驗測得的裂紋率 %

圖13 96 h HIC試驗前后試樣表面宏觀形貌

3 硫化物應(yīng)力開裂試驗

從遠(yuǎn)離開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)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實驗室試驗方法》方法A，進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗，試驗結(jié)果如表10所示，720 h SSC試驗后，試樣表面的宏觀形貌如圖14所示。試驗結(jié)果符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

表10 SSC試驗結(jié)果

圖14 720 h SSC試驗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現(xiàn)場實際工況進(jìn)行模擬，有助于直觀地對開裂原因及過程進(jìn)行說明。管內(nèi)介質(zhì)設(shè)置為天然氣和水，與實際情況一致。開井作業(yè)后，管體內(nèi)流體分布及開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)流動的作用下，易形成湍流漩渦，所受沖擊載荷較大，會造成管壁減薄，韌性降低；在開井作業(yè)情況下，閥門開啟后，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)重時會造成管道脹裂。

圖15 開井作業(yè)后管道內(nèi)流體分布

圖16 開井作業(yè)后管道形變和應(yīng)力分布

5 綜合分析

對開裂管段正常部位進(jìn)行管段外防腐層檢測、壁厚及直徑測量、化學(xué)成分分析、拉伸試驗、維氏硬度測試、HIC試驗、SCC試驗，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，未見明顯脫碳特征，管道內(nèi)、外表面未見明顯腐蝕坑或裂紋等；斷口呈現(xiàn)韌窩形貌。該管段在開裂之前發(fā)生屈服塑性變形。同時進(jìn)一步對斷口處產(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，該管段開裂的主要原因是該段管道特殊的地理位置，且開井作業(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) 開裂管道正常部位的外防腐層檢測、幾何尺寸測量、化學(xué)成分分析、拉伸試驗、維氏硬度測試、抗氫致開裂試驗、抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗結(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；在開井作業(yè)時，在條件允許的情況下，建議適當(dāng)延長閥門的動作時間。