徐 亮，曾維勁，李家兵，林婉娜，曹炳亮，曾慶興

(帕博檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司 廣東 珠海 519050)

0 引 言

金屬腐蝕是金屬材料與環(huán)境介質(zhì)的物理-化學(xué)相互作用，其結(jié)果使金屬材料的性能發(fā)生變化，并?？蓪?dǎo)致材料、環(huán)境或由它們作為組成部分的技術(shù)體系的功能受到損失[1]。腐蝕是油氣輸送管的主要失效形式之一[2]。在油氣輸送管生產(chǎn)制造行業(yè)，抗硫化氫腐蝕是最常見(jiàn)的腐蝕試驗(yàn)，是抗酸鋼管制造廠所必須進(jìn)行的管理生產(chǎn)工藝、控制產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)性試驗(yàn)。抗硫化氫腐蝕試驗(yàn)主要包括HIC(氫致開裂)和SSC(硫化物應(yīng)力開裂)兩種不同類型的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法，國(guó)際上常用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分別為NACE TM0284、NACE TM0177與ASTM G39。HIC和SSC這兩種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)設(shè)備要求簡(jiǎn)單、操作容易及再現(xiàn)性好，但試驗(yàn)條件與管道的實(shí)際服役工況存在很大差異。與NACE TM0284、NACE TM0177及ASTM G39試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相比，BS 8701：2016標(biāo)準(zhǔn)有如下兩個(gè)方面的特點(diǎn)：1)保留了鋼管制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力，并通過(guò)機(jī)械方法施加規(guī)定的工作應(yīng)力。2)區(qū)別于前三種試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的全浸試驗(yàn)，該試驗(yàn)僅鋼管的內(nèi)表面接觸試驗(yàn)溶液，與輸送鋼管的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)一致。因此，對(duì)抗酸腐蝕管道應(yīng)按照BS 8701：2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗酸腐蝕試驗(yàn)。本文通過(guò)簡(jiǎn)要介紹BS 8701：2016《測(cè)定管線鋼在酸性環(huán)境下開裂敏感性的完整環(huán)橢圓度試驗(yàn). 試驗(yàn)方法》，并依據(jù)BS 8701:2016試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼管廠生產(chǎn)的規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm、材料為X60MS的對(duì)接環(huán)焊焊接工藝評(píng)定鋼管進(jìn)行了試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與NACE TM0284，NACE TM0177和ASTM G39標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 抗硫化氫腐蝕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概述

金屬材料通常在應(yīng)力下和環(huán)境介質(zhì)中服役，該應(yīng)力包括殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)的共同作用常常導(dǎo)致較單一因素下更嚴(yán)重的破壞形式，如應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、氫脆等。BS 8701：2016標(biāo)準(zhǔn)是在HSE OTI 95 635試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上頒布實(shí)施的。該標(biāo)準(zhǔn)要求針對(duì)不同規(guī)格的鋼管制備相應(yīng)規(guī)格的試驗(yàn)裝置及輔助材料，在管段試樣的加載施力、試驗(yàn)管段上下底蓋的制作、試驗(yàn)溫度的保持、硫化氫氣體濃度的保持、防止試驗(yàn)溶液泄漏等方面應(yīng)充分做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

1.2 試驗(yàn)鋼管

選用試驗(yàn)鋼管為國(guó)內(nèi)某鋼管廠生產(chǎn)的輸送管線環(huán)焊焊接工藝評(píng)定用對(duì)接環(huán)焊管段，管段規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm，試驗(yàn)管段總長(zhǎng)度為508 mm，材料為X60MS。在制備試驗(yàn)管段時(shí)，用超聲波探傷儀對(duì)管段表面進(jìn)行探傷檢測(cè)，使試驗(yàn)管段在試驗(yàn)前無(wú)缺陷。試驗(yàn)管段母材的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)管段母材的屈服強(qiáng)度為Rt0.5=485 MPa，抗拉強(qiáng)度為Rm=575 MPa，面縮率為A50=36%。試驗(yàn)管段母材的金相組織為鐵素體+珠光體，平均晶粒度為11級(jí)。試驗(yàn)管段焊縫的金相組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體，平均晶粒度為10級(jí)。試驗(yàn)管段焊縫和母材材料的金相組織如圖1和圖2所示。

表1 試驗(yàn)管段母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 焊縫中心組織

圖2 管體母材組織

1.3 試驗(yàn)溶液

根據(jù)BS 8701：2016標(biāo)準(zhǔn)的要求，配制的試驗(yàn)溶液為NACE TM0177 A，該溶液的成分為5%NaCl+0.5%CH3COOH+94.5%蒸餾水。

1.4 試驗(yàn)加載應(yīng)力

BS 8701：2016試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了內(nèi)部加載與外部加載兩種機(jī)械加載方法，對(duì)于管徑在305 mm以上的鋼管采用鋼管內(nèi)部加載方法，其過(guò)程如下：利用液壓千斤頂和加力支撐條對(duì)管壁內(nèi)側(cè)進(jìn)行加載，并在加載過(guò)程中用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)應(yīng)變片的變形量，當(dāng)應(yīng)變片變形量達(dá)到指定的數(shù)值后停止加載。然后，在加力支撐條之間安裝雙頭螺桿頂緊裝置頂住支撐條，旋緊雙頭螺桿頂緊裝置，當(dāng)應(yīng)變片數(shù)值不發(fā)生變化時(shí)(應(yīng)變片變形量應(yīng)在指定試驗(yàn)加載力之上)卸下液壓千斤頂，加載過(guò)程完成，即鋼管發(fā)生橢圓變形。在此試驗(yàn)裝置中加力支撐條和雙頭螺桿頂緊裝置均由316L不銹鋼材料加工制造，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中需要浸泡在試驗(yàn)溶液中。應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中:σp為環(huán)向應(yīng)力，MPa；E為試驗(yàn)管環(huán)彈性模量，GPa；ν為泊松比；ε1和ε2分別代表管段環(huán)向應(yīng)變和縱軸方向應(yīng)變。所用應(yīng)變片為直角雙軸應(yīng)變片，應(yīng)變儀為高速動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。試驗(yàn)加載應(yīng)力按照X60管線鋼規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的72%，即415 MPa×72%=298.8 MPa加載。圖3為內(nèi)部加載方式示意圖，圖4為試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)圖。試驗(yàn)力加載、試樣清洗及試驗(yàn)溶液注入完成后，將完整環(huán)型試驗(yàn)管段移至試驗(yàn)專用通風(fēng)櫥中，并保持試驗(yàn)溫度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 內(nèi)部加載方式示意圖

圖4 試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)圖

1.5 試驗(yàn)流程

圖5是抗酸腐蝕完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)流程圖[3]。當(dāng)試驗(yàn)溶液中H2S濃度≥2 300 mg/L后，試驗(yàn)正式開始，該試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為720 h。試驗(yàn)開始進(jìn)行后，按照標(biāo)準(zhǔn)要求每隔5天檢測(cè)一次試驗(yàn)溶液，記錄測(cè)量溶液的pH值和H2S濃度，在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中H2S濃度≥2 300 mg/L。溶液溫度應(yīng)為24±3 ℃，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)試驗(yàn)溶液的pH值≤4.0。

圖5 完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)流程

1.6 試驗(yàn)結(jié)果

圖5所示的抗酸腐蝕完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)完成后，在溶液中輸入氮?dú)鈱⒘蚧瘹湮矚馀懦?，然后排出試?yàn)溶液，卸除試驗(yàn)加載裝置，清洗試樣內(nèi)外表面。經(jīng)目視外觀檢查，試驗(yàn)管段內(nèi)外表面均無(wú)氫鼓泡產(chǎn)生。圖6為試驗(yàn)后未清理卸載管段，圖7為試驗(yàn)清理卸載后管段。

圖6 試驗(yàn)后未清理卸載管段

圖7 試樣卸載清理后管段

對(duì)抗酸腐蝕完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)后的管段進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在對(duì)接環(huán)焊縫上有缺陷信號(hào)產(chǎn)生，缺陷位置如圖8所示，即缺陷位于圖8中白色方框內(nèi)的白色標(biāo)記處。對(duì)白色方框位置進(jìn)行試樣截取，并經(jīng)金相試驗(yàn)和測(cè)量，該裂紋長(zhǎng)度為2.1 mm，屬于典型的硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋形貌如圖9和圖10所示。

圖8 缺陷位于白色方框中的白色標(biāo)記處

圖9 裂紋宏觀形貌(5×)

圖10 裂紋微觀形貌(200×)

2 HIC和SSC試驗(yàn)

從Φ508 mm×11.13 mm直縫埋弧焊鋼管(因不能破壞環(huán)焊縫，故未取環(huán)焊縫樣品)上取3個(gè)試樣(焊縫、母材90°、母材180°各一個(gè))，按照NACE TM0284 A溶液進(jìn)行HIC試驗(yàn)；另取1個(gè)焊縫試樣按照ASTM G39、NACE TM0177 在A溶液中進(jìn)行SSC四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可見(jiàn)，所取樣品經(jīng)過(guò)HIC試驗(yàn)，沒(méi)有產(chǎn)生氫鼓泡，也沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，與完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)結(jié)果相同。所取樣品經(jīng)過(guò)SSC試驗(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，與完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)結(jié)果相同。

表2 HIC與SSC試驗(yàn)結(jié)果

3 綜合分析

對(duì)試驗(yàn)管段直縫埋弧焊管管體母材的化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織以及焊縫的金相組織進(jìn)行了分析，以內(nèi)部加載方式按照BS 8701：2016標(biāo)準(zhǔn)對(duì)規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm，材質(zhì)為X60MS的油氣輸送管道對(duì)接環(huán)焊管進(jìn)行了抗硫化氫腐蝕完整環(huán)橢圓度試驗(yàn)，試驗(yàn)浸泡結(jié)束后對(duì)完整環(huán)全管段進(jìn)行了超聲波探傷。通過(guò)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)管段管體和直焊縫均無(wú)裂紋，環(huán)焊縫存在1處裂紋。通過(guò)金相分析了裂紋形貌。對(duì)組成環(huán)焊管的原直縫埋弧焊管母管進(jìn)行了HIC和SSC試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均無(wú)裂紋，試驗(yàn)結(jié)果符合使用要求，與完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)結(jié)果相同。按照BS 8701：2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完整環(huán)型橢圓變形法試驗(yàn)保留了制管和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并采用機(jī)械方法施加工作應(yīng)力，以及僅有試樣內(nèi)表面單面接觸試驗(yàn)溶液，使試驗(yàn)環(huán)境更符合油氣管道實(shí)際的服役狀態(tài)，這是該試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)，但是，該方法需要針對(duì)不同規(guī)格的鋼管制備相應(yīng)規(guī)格的試驗(yàn)裝置及輔助材料，試驗(yàn)實(shí)施的難度較大。另外，試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明直縫埋弧焊輸送管線對(duì)接焊縫的焊接工藝非常重要，即使鋼管的抗酸性能檢測(cè)結(jié)果符合相關(guān)要求，如果環(huán)焊工藝不符合要求，環(huán)焊縫也會(huì)出現(xiàn)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)，給輸送管線的正常運(yùn)行帶來(lái)非常大的安全隱患。

4 結(jié) 論

1)按照BS 8701：2016標(biāo)準(zhǔn)對(duì)規(guī)格為Φ508 mm×11.13 mm、材料為X60MS的油氣輸送管道對(duì)接環(huán)焊管進(jìn)行了抗硫化氫腐蝕完整環(huán)橢圓度試驗(yàn)，試驗(yàn)管段的母材及直焊縫未出現(xiàn)硫化氫腐蝕裂紋，符合使用要求，而在環(huán)焊縫中出現(xiàn)了硫化氫腐蝕裂紋，不符合使用要求。

2)完整環(huán)橢圓度試驗(yàn)中管體部分的試驗(yàn)結(jié)果與組成環(huán)焊管的原直縫埋弧焊管母管的HIC和SSC試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其試驗(yàn)結(jié)果相同。