淺析酸氣管道焊縫橫向裂紋的產生原因及檢出方法

肖金品，劉 毅

（江漢石油管理局江漢檢測公司，潛江 433123）

1 泄漏事件概述

普光氣田主體開發地面集輸工程輸送介質為未經凈化處理的高含硫氣體（簡稱酸氣），其中硫化氫含量達12.31%～17.05%，其濃度為迄今為止國內同類管道中最高。工程于2008年12月啟動，2009年10月投入試運行，2009年10月12日集氣末站外輸匯管發生安全閥起跳事故，隨后集氣末站外輸匯管筒體縱縫外表面出現長約30mm的橫向裂紋，發生泄漏，被迫停車。

2 裂紋產生原因分析

此次外輸匯管泄漏由筒體縱縫外表面出現的橫向裂紋產生，分析裂紋產生原因有助于采取針對性的無損檢測方法檢出裂紋，進而采取相應的整改措施，防止泄漏事故的發生，確保管道工程的安全可靠運行。

2.1 泄漏匯管技術參數

發生泄漏的集氣末站匯管由馬來西亞某公司生產，設計規范采用ASME SectionⅧ，DIV 12007版，其基本參數為：工作壓力10.98MPa，工作溫度60℃，材質SA516－70N（相當于國內16MnR）。

2.2 原料氣組分

原料氣組分為 He 0.012mol%，H20.028mol%，N20.52mol%，CO28.64mol%，H2S 15.16mol%，CH475.52mol%，C2H60.12mol%。

2.3 橫向裂紋產生原因分析

焊縫裂紋一般產生于兩個階段，即制造過程和使用過程。

2.3.1 制造過程

事故發生后，中原油田普光分公司立即組織有關專家對匯管制造商的相關制造資料進行了審查。發現制造商的整個制造工藝非常規范，并且整個制造過程有國內公司的監造，因此在制造過程中產生裂紋的可能性可以排除。

2.3.2 使用過程產生

通常含硫介質管道（包括容器）在使用過程中容易產生應力腐蝕裂紋，其多發生在焊縫及熱影響區，方向多為橫向（垂直于焊縫）。產生應力腐蝕裂紋的機理如下：

（1）硫化物應力腐蝕開裂（SSC） 硫化物應力腐蝕開裂是金屬在拉應力和有水及硫化氫存在的腐蝕共同作用下的開裂。SSC的敏感性與鋼中的滲氫量有關，這主要取決于兩個環境參數：水的pH值和H2S含量。SSC敏感性隨H2S的含量增加而增加。SSC敏感性還與兩個材料參數有關，即硬度和應力。用于濕H2S環境中的碳鋼基金屬壓力容器和管道由于具有足夠的強度（硬度），通常SSC影響較小，但是其焊縫和熱影響區可能包含焊接引起的高硬度和高殘余應力區，較高的殘余拉伸應力與焊縫結合增加了SSC的敏感性。

（2）硫化氫中氫誘導開裂（HIC）和應力指向氫誘導開裂（SOHHC－H2S） 氫誘導開裂是金屬中或金屬表面不同平面上的鄰近氫鼓泡的階梯狀內部裂紋。開裂的動力是氫鼓泡內部壓力的累積引起的氫鼓泡周圍的高應力。應力指向氫誘導開裂（SOHIC）是大量小氫誘導裂紋組合的鼓泡的堆積，這些氫誘導裂紋由較高的局部拉應力作用在鋼板厚度方向上的排列而引起。SOHIC經常出現在焊縫熱影響區，由于工作應力（來自內部的壓力）和焊接殘余應力的累加影響使得這里的應力最大。

從上述硫化物應力腐蝕裂紋產生的機理可以看出，硫化氫、水氣、應力（工作應力和焊接過程中的殘余應力）、鋼材高強度和高硬度這些因素的共同影響導致了應力腐蝕裂紋的發生，而其中硫化氫、水氣、應力是其中三個最為主要的影響因素。

普光氣田地面集輸管道工程運行介質為硫化氫含量很高的濕酸氣，而管道運行過程中工作應力和焊接殘余應力、鋼材本身的高強度和高硬度以及焊接缺陷這些因素同時存在，它們都是誘導硫化物應力腐蝕裂紋產生的因素。

3 常規NDT方法對裂紋的檢出情況分析

管道焊口檢測常用的無損檢測方法有射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測和滲透檢測，不同的檢測方法對不同類型缺陷的檢出情況并不相同。

3.1 射線檢測

射線檢測的原理是基于射線通過密度不同的物質時，由于強度衰減不同，在底片上形成黑度差，使得缺陷影像在底片上得以顯現。射線檢測通常對體積狀缺陷（氣孔、夾渣）檢出率較高，這是由于氣孔、夾渣的密度與鋼的密度相差較大，在底片上容易形成黑度差而得以顯示。對面狀缺陷（裂紋、未熔合、未焊透），其檢出率受到下列因素影響：

（1）射線透照角度 當射線透照方向與面狀缺陷的方向一致時可獲得較高的檢出率。隨著透照角度的加大，面狀缺陷的檢出率急劇下降。對橫向裂紋而言，其檢出率受透照方向的影響會更大。

（2）靈敏度 射線檢測對裂紋的檢出率還受到靈敏度限制，工件厚度越大，靈敏度越低。

發生泄漏的匯管厚度為40mm，射線檢測可以發現的是＞0.5mm的缺陷，而應力腐蝕裂紋在擴展開裂初期其寬度通常都在0.1mm左右，即使射線透照方向與裂紋方向一致也有漏檢的可能性。

3.2 超聲波檢測

超聲波在異種介質的界面上將產生反射、折射和波型轉換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達到探測缺陷的目的。

由于超聲波檢測是利用超聲波在缺陷界面的反射來對缺陷進行識別，因而缺陷的性質、位置、取向和形狀對檢測結果有較大影響。對面狀缺陷而言，超聲波在缺陷處的反射類似于鏡面反射，可獲得較高反射回波。特別是對裂紋缺陷，由于裂紋中通常只有空氣，超聲波在裂紋界面上有很高的反射率，因而超聲波檢測對裂紋缺陷檢出率很高。

對焊縫進行超聲波檢測時，要求探頭與工件接觸良好，否則會影響檢出率。進行橫向裂紋的檢測時，還應將焊縫余高打磨平整，以保證探頭在焊縫表面移動時探頭與接觸面的良好接觸。

3.3 磁粉檢測

磁粉檢測是通過對被檢工件施加磁場使其磁化，在工件的表面和近表面缺陷處將有磁力線逸出工件表面而形成漏磁場，通過漏磁場吸附施加在工件表面上的磁粉形成磁痕，從而顯示出缺陷的存在。

現有磁粉檢測技術基本只能檢測工件表面或近表面裂紋，對埋深＞2mm的裂紋，使用磁粉檢測技術將無法檢出。

3.4 滲透檢測

滲透檢測是基于毛細現象揭示非多孔性固體材料表面開口缺陷，其方法是將液體滲透液滲入工件表面開口缺陷中，再用顯像劑顯示出缺陷。

滲透檢測對表面開口缺陷有很好的檢出率，但對非開口缺陷，使用滲透檢測技術將無法檢出。

4 不同NDT方法對匯管橫向裂紋的檢出情況

4.1 對裂紋檢出情況的比較

泄漏事故發生后，我公司受中原油田普光分公司委托，對集氣末站發生泄漏的外輸匯管和未泄漏的生產匯管焊縫采用射線檢測、超聲波檢測進行復查，勝利海檢中心采用磁粉檢測、滲透檢測進行復查。使用不同檢測技術對生產匯管A8縱縫裂紋的檢出情況對比見表1。

表1 采用不同無損檢測方法對橫向裂紋的檢出情況對比

4.2 對焊縫余高打磨前和打磨后裂紋檢出情況的比較

（1）對集氣站匯管的超聲波檢測是在未對焊縫余高進行打磨的情況下進行的。根據普光分公司要求，我公司還對 P301，P302，P303，P101，P103五個站場的匯管進行了射線和超聲波抽檢。進行超聲波檢測前，曾要求對焊縫余高進行打磨，但普光分公司考慮到未得到馬來西亞廠家的許可，未采納要求。射線檢測和超聲波檢測均未發現裂紋。

（2）應普光分公司要求，合肥通用機械研究院和機械工業蘭州石油鉆采煉油化工設備質量研究所對普光氣田主體開發地面集輸工程中所有站場的匯管進行安全等級評定。期間兩家單位對匯管焊縫進行了超聲波檢測，超聲波檢測前對匯管焊縫余高進行了打磨。在我公司已進行過超聲波檢測的五個站場匯管焊縫上檢測出40余條長度＜10mm的橫向裂紋，深度基本都在20～30mm之間。我公司又對上述五個站場的匯管焊縫進行了射線檢測和超聲波檢測復查。進行射線檢測復查時，未發現橫向裂紋顯示；進行超聲波檢測復查時（使用的超聲波儀器、探頭與檢測余高打磨前匯管焊縫所使用的超聲波儀器、探頭相同），得到了與兩家進行安全等級評定單位基本一致的超聲波檢測結果。從以上進行的各項檢測情況可以得出結論如下：① 用超聲波對焊縫中橫向裂紋進行檢測可獲得較高的檢出率；采用射線檢測只能檢出長度較長的橫向裂紋；而磁粉或滲透檢測對埋藏較深的裂紋無法檢出。② 對焊縫橫向裂紋進行超聲波檢測時，檢測前應對焊縫余高進行打磨。焊縫余高的存在將直接影響橫向裂紋的檢出率。

5 結論

（1）酸氣管道在使用過程由于受到水氣、應力及其它一些因素的共同影響會產生應力腐蝕裂紋，應力腐蝕裂紋通常長度較小且垂直于焊縫方向。針對應力腐蝕裂紋使用超聲波檢測技術是最佳的檢測方法。

（2）采用超聲波對焊縫中的橫向裂紋進行檢測時須將焊縫余高打磨至與母材平齊，否則會造成對細小橫向裂紋的漏檢。

（3）為保證檢出率，使用超聲波檢測時還應使用兩種或兩種以上K值的探頭（其中一種須為K1探頭）。

［1］JB／T 4730—2005 承壓設備無損檢測［S］.

［2］王曉雷.承壓類特種設備無損檢測相關知識［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2007.