天然氣管道沿螺旋焊縫的失效分析

謝晨光

摘要：本篇文章結合對運輸濕酸性天然氣管道失效區域的外觀檢測、始終狀況、理化試驗、微觀觀察、力學性能測試、斷面剖析及腐蝕部位的產物檢測、無損檢驗等的結果對管道沿螺旋焊縫失效的問題進行了探究與分析，最終得出因為腐蝕程度較高致使的局部應力改變和管材材料性能的改變共同使得失效及破裂問題的發生。

關鍵詞：天然氣管道；螺旋焊縫、失效檢驗；腐蝕

一、項目調查檢驗情況及分析

作為研究對象的天然氣輸送管道被設計為承受壓力7.34兆帕，工作溫度上限是一百攝氏度，輸送氣體中硫化氫的最大含量不超過百分之二，正常運輸壓力為5.79兆帕，溫度介于三十至四十度之間[1]。該運輸管道使用了API 5L Gr.X52螺旋縫埋孤焊鋼管，其管徑為四百五十七點二毫米，鋼管的管壁厚度是十點三一毫米，鋼管外表層使用了工廠預制的防腐層而內部沒有涂層，其在焊接作業時接頭處的防腐處理使用了熱收縮套[2]。為探析管道失效的具體原因，將設定一系列的實驗對管道進行綜合性的檢驗和分析，以期能為該管道日后繼續工作提供一些補救的辦法[3]。

（一）外觀及使用情況調查

1.外觀情況

根據管道樣品的收貨情況可以看出，管道樣品部位包括一個環向的焊縫和發生失效的區域。管材外表面被腐蝕的情況很低，可以根據圖一看出，管材的外側幾乎不存在金屬腐蝕的情況，從圖二可以觀察出，樣本內部被嚴重腐蝕了，腐蝕區域占到了管道內部約四分之一的區域，根據管材的具體參數可以計算出壁厚被腐蝕的位置達到了百分之三十。從圖一中也可以看到樣本中包含一個全壁厚裂紋形式的失效，可以預判螺旋焊縫的熱影響區以及金屬區域延伸達五百毫米，這也意味著裂紋的位置處于管道內部。

2.使用情況

管道外部使用了防腐處理并且連通陰極進行保護操作，在該管道被挖出的部位記錄現實外部防腐層性質保持較好，沒有外部腐蝕情況出現。結合管道內的水含有亞鐵離子就及考慮硫化氫的濃度，內部pH值使得管道內部環境處于高烈度區域。

（二）檢驗情況

1.管材及焊縫檢驗分析

通過光譜分析的結果可以知道運輸管道的管材及焊縫金屬的提取樣本都符合相關標準及酸堿服役環境的標準。

2.金相檢驗結果

從微觀組織觀察可以看出，運輸管道的圍觀組成是細晶粒鐵素體，且其夾雜物滿足各向同性，這恰與鋼中含有較低的硫及鈣元素相符合。此外在泄漏位置的圍觀觀察還可以看出開裂由母材引起，而后延伸到外焊縫的熱影響區域，最終導致開裂位置。

3.拉伸及沖擊檢驗

此試驗運用圓棒拉伸試樣，過程包括母材及失效部位螺旋焊縫的拉伸式樣。拉伸試樣的結果顯示天然氣運輸鋼管符合相關標準規定的屈服強度及抗拉程度規定。對于焊縫位置則進行了V型口缺口沖擊試驗，結果顯示管材符合有關的材料標準。

4.硬度檢驗

在焊縫的不同的位置進行了維氏硬度測試，具體的測試區域包含了焊縫的金屬材料、熱影響區域以及管材。硬度測試的結果顯示這些區域的硬度值均低于HV10250，尤其是在螺旋焊縫的熱影響位置，其硬度僅有HV10到HV10168左右，這表明螺旋焊縫及環向的焊縫均會因為硫化物增加開裂的可能性。

5.斷面檢驗

將樣本進行清晰后對斷裂尖端觀察，從其斷面可以看出部分比較有光澤的部位已經失去了大大部分的腐蝕生產物，故對這一部位進行顯微斷面觀察。根據斷面的電子形貌圖像可以看出腐蝕生成物的位置較暗，而有光澤部位的金屬位置比較亮，從大面積暗區域可以判斷此樣本已被嚴重腐蝕。

6.腐蝕生成物提取與分析

提取腐蝕生成物的樣本后使用能散X射線法對其分析，對其化合物成分做出判定。根據檢測結果可以知道腐蝕生成物的主要元素包含鐵、硫、氧、碳，這就表明了腐蝕生成物為一定含量的硫化鐵、四氧化三鐵和碳酸鐵等化合物。

（三）無損檢驗及其結果分析

對被腐蝕的樣本采用磁粉探傷及射線照相探傷，根據檢測結果可以看出母材的外側環向焊縫僅有微小的腐蝕情況，在螺旋焊縫內側焊趾區域即失效區域緊鄰的焊縫已存在微小的腐蝕情況。

（四）殘余應力檢測

從外表面面的測試得到了殘余應力于水平方向是拉伸應力，豎直方向是壓縮應力，水平方向上最大值是八十兆帕，垂直方向上最大壓縮應力是負的二百四十兆帕。內側表面的位置水平及豎直方向上分別是三百八十兆帕和一百七十兆帕，這也說明了開裂從鋼管的內側向外側延伸的情況。

二、失效原因探討及分析

根據管道綜合檢驗測試的結果對管道失效的原因進行探究：

（一）材料方面

管道與焊縫無論是在化學分析、強度測試、沖擊韌性以及硬度測試中都符合酸性服役條件訂貨鋼管的制定標準，沒有檢測到因為管材以及焊縫材料方面致使開裂失效的情況。

（二）管道外部開裂方面

可以很明顯地得出天然氣輸送管道是因為內部的濕酸環境和含有二氧化碳以及硫化氫的天然氣造成的內部腐蝕導致的失效問題，這也意味著天然氣脫水環節的失效或者低效，同時用于降低內部腐蝕情況使用的緩蝕劑也沒有起到作用[4]。

（三）失效位置

從樣品中可以看到發生泄露的區域是鋼管的下側底部，具體位于螺旋焊縫及周圍以開裂的形式出現泄露，失效的情況往往位于嚴重內腐蝕的部位。同時根據測試的數據分析，內部腐蝕會沿著管道長度的方向上生長，除了管道的底部區域，位于別的區域的開裂也是存在可能的。

（四）綜合原因分析

開裂的誘因來自酸性氣體的環境以及螺旋焊縫周邊應力的改變及其材料性質的降低等，這些因素共同導致了開裂的出現。當管道內部被腐蝕后，這一區域的環向應力會變大，此時應力總體趨勢是從發生腐蝕的位置向外遞增。

三、結束語

依照天然氣管道沿螺旋焊縫的相關調查檢驗和失效原因分析我們可以知道：引起管道開裂最主要的誘因是管道的腐蝕，位于嚴重腐蝕位置的裂縫說明了這一情況；而且根據調查檢驗可以看出，不存在因為原材問題致使管道失效問題的出現；同時管道失效的原因可能是由于綜合因素所導致的，比如：內部腐蝕、局部應力變化和嚴格的Ph值要求；在管道下側位置嚴重的內部腐蝕是管道失效的最主要原因。

參考文獻

[1]齊麗華，劉小峰，劉迎來，etal.X80螺旋埋弧焊管對接環焊接頭失效裂紋分析[J].焊管，2012（6）：16-21.

[2]楊丁門，何興利，趙煒，etal.西氣東輸二線用X80級螺旋埋弧焊管導向彎曲性能分析[J].焊管，2009，32（9）：18-21.

[3]谷海龍，陳楠，王海生，etal.X80M鋼Φ1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管導向彎曲不合格原因分析[J].焊管，2017，40（11）.

[4]楊東平，胥聰敏，羅金恒，etal.0.8設計系數用X80管線鋼在近中性pH溶液中的應力腐蝕開裂行為[J].材料工程，2015（1）：89-95.

（作者單位：遼河油田建設有限公司工程安裝四分公司）