在役油氣管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂及其防護(hù)措施

王一龍，楊平希

(1．陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000;2．陜西省石化壓力容器檢驗(yàn)站，陜西 西安 710000)

我國(guó)自1958年建設(shè)第一條長(zhǎng)輸管道以來(lái)，經(jīng)歷了三個(gè)建設(shè)高峰期，第一個(gè)高潮起于上世紀(jì)70年代，共建成陸上油氣管道6500 km，其中:輸油管道占73%、輸氣管道占27%;第二個(gè)高潮出現(xiàn)在上世紀(jì)80～90年代，2001年底有長(zhǎng)輸油氣管道23000 km，其中:輸油管道占44%，輸氣管道占56%;第三個(gè)高潮出現(xiàn)在21世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)是為了滿足我國(guó)東部和西部地區(qū)油氣田的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、國(guó)外油氣資源的引進(jìn)以及天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，2010年長(zhǎng)輸管道累計(jì)100000 km。從2001年至2010年，我國(guó)平均每年建設(shè)油氣管道超過(guò)5500 km，而實(shí)際上，國(guó)內(nèi)管道建設(shè)能力約為12000 km/a(中石油系統(tǒng)8000 km/a，中石化系統(tǒng)4000 km/a)，管道建設(shè)能力進(jìn)入鼎盛時(shí)期［1］。

圖1 1969～2003年四川地區(qū)輸氣管道事故統(tǒng)計(jì)

目前，腐蝕、開(kāi)裂及機(jī)械劃傷等因素造成的安全事故發(fā)生十分頻繁。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失占當(dāng)年經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的1．5% ～4．2%［2］。同時(shí)應(yīng)力腐蝕也開(kāi)展了多年的研究，但是由于壓力管道的加工制造、裝配工藝、環(huán)境及工況不同，腐蝕類型及腐蝕后果也有所差異。圖1為1969～2003年四川地區(qū)輸氣管道事故統(tǒng)計(jì)，圖2為1970～2007年歐洲輸氣管道事故原因統(tǒng)計(jì)分析［3］。從國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出管道腐蝕現(xiàn)象在管道失效形式中占據(jù)比例較大，對(duì)管道腐蝕原因及預(yù)防措施的研究具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 1970～2007年歐洲輸氣管道事故原因統(tǒng)計(jì)分析

1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(Stress Corrosion Cracking，簡(jiǎn)稱SCC)是指受拉應(yīng)力作用的金屬在某些特定的腐蝕介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致材料發(fā)生的腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象［4－5］。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件有:

1．1 應(yīng)力

應(yīng)力指作用在材料上的固定拉應(yīng)力。焊接接頭拉應(yīng)力主要來(lái)自于焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余拉應(yīng)力的存在會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易造成材料表面鈍化膜的破壞。

1．2 腐蝕環(huán)境

腐蝕介質(zhì)是應(yīng)力腐蝕的必要條件，要產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，需要有特定的腐蝕環(huán)境。對(duì)于油氣管道來(lái)講腐蝕環(huán)境是潮濕的土壤，潮濕的土壤中含有碳酸、硝酸鹽及水分。腐蝕介質(zhì)和腐蝕材質(zhì)共同形成腐蝕體系。

1．3 管線的腐蝕敏感性

管道的應(yīng)力腐蝕主要與管道的材質(zhì)、制造工藝、表面潔凈度等有著直接的聯(lián)系。

2 某在用天然氣管道焊口的腐蝕現(xiàn)象

2．1 某管線運(yùn)行參數(shù)

①管線名稱:三線站內(nèi)回流管線立管;②管道直徑:DN500(φ508 mm);③防腐層類型:冷纏帶;④管線設(shè)計(jì)溫度:40℃;⑤管內(nèi)氣壓:9 MPa。

2．2 焊縫狀況

2．2．1 環(huán)焊縫腐蝕(地表上)

焊縫處壁厚最薄處比管體壁厚少3 mm，管體壁厚經(jīng)超聲波測(cè)厚儀測(cè)試為16．3 mm。焊縫壁厚不等，焊縫屬于現(xiàn)場(chǎng)最后焊接的死扣，焊接收縮量大;另外入地防防腐層破壞導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域積水，產(chǎn)生腐蝕。

圖3 焊縫狀況照片

2．2．2 環(huán)焊縫腐蝕(地表下)

焊縫處壁厚最薄處沒(méi)有余高，和管體齊平;焊縫有余高處，余高平均高度為2 mm。地下管道都存在均勻腐蝕。

2．2．3 直焊縫腐蝕

直縫管的直焊縫兩側(cè)都存在腐蝕，最嚴(yán)重的腐蝕坑最深處1．5 mm，直徑約10 mm。

2．2．4 管道本體腐蝕

地下管道防腐層脫粘，涂層和管道之間有積水，導(dǎo)致管體存在均勻的麻點(diǎn)腐蝕［6］。

地上管道環(huán)焊縫應(yīng)力腐蝕分析:管道防腐層粘性降低甚至脫膠，雨水進(jìn)入并殘留于防腐層與壓力管道本體之間，形成了腐蝕環(huán)境外界條件;管道彎頭處焊接裝配過(guò)程中自重影響，焊接后焊縫處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，圖3照片(a)為焊縫內(nèi)半圈，照片左上角為焊縫局部腐蝕放大圖，焊縫內(nèi)半圈受殘余壓應(yīng)力，圖3照片(b)為焊縫外半圈，焊縫外半圈產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，這是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的內(nèi)部條件，圖3照片(c)為焊縫位置照片。最終結(jié)果是殘余拉應(yīng)力的半圈焊縫處發(fā)生應(yīng)力腐蝕，殘余壓應(yīng)力的半圈焊縫處未發(fā)生應(yīng)力腐蝕，該焊縫發(fā)生的腐蝕為典型的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。

表1 土壤理化性能測(cè)試報(bào)告

結(jié)論:依據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》GB/T 19285－2014，各因子評(píng)分綜合為13分，土壤腐蝕性等級(jí)為中，導(dǎo)致埋于地下的直焊縫及環(huán)焊縫發(fā)生點(diǎn)狀腐蝕。

3 避免油氣管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的措施

(1)選取發(fā)生應(yīng)力腐蝕敏感性低的材料。管道的材質(zhì)是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的前提條件，具有特定應(yīng)力腐蝕敏感性的材料才可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕。因此，在滿足管道使用強(qiáng)度、壽命、穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)條件的前提下，盡可能選取發(fā)生應(yīng)力腐蝕敏感性低的材料。

(2)在用埋地管道選擇外防腐層時(shí)，應(yīng)考慮外防腐層對(duì)管道發(fā)生SCC的影響，選擇能夠有效抑制在用管道發(fā)生SCC的外防腐層。防腐層應(yīng)起到以下幾方面的作用:(a)外防腐層應(yīng)能夠與管體緊密結(jié)合，防止電解質(zhì)溶液與管體接觸，形成腐蝕環(huán)境;(b)防腐層脫落或破損時(shí)陰極保護(hù)電流能夠通過(guò);(c)防腐層施工時(shí)通過(guò)改變管道表面狀態(tài)來(lái)降低殘余應(yīng)力［2］。

(3)選用合理的裝配夾具及焊接工藝。管道焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)被焊的金屬材料選擇相應(yīng)的焊條或焊絲，最終形成的焊縫性能要和母材性能相同或相近;選用合理的焊接電流、焊接電壓及搭接量等。

(4)消除殘余應(yīng)力。采用合理的焊接順序，如對(duì)稱焊接;對(duì)待焊管件進(jìn)行預(yù)熱;回火。

(5)對(duì)油氣管道加設(shè)陰極保護(hù)裝置［7－8］。

(6)高pH值土壤環(huán)境中，在土壤及運(yùn)輸介質(zhì)中加入抑制劑。