抽真空管線穿孔失效分析

張錫年 侯 莉 王朝旭

（1.中國石油天然氣股份有限公司西北銷售分公司；2.中國石油天然氣股份有限公司西北銷售寶雞分公司）

地下鋼質輸油、輸氣管線穿過溝渠、道路及橋梁等特殊地段時， 為保護管線和便于日后維修，往往在主管的外面增設套管，套管內主管線易發(fā)生腐蝕。 某埋地抽真空管線的穿越鐵路段采用套管結構。 現(xiàn)場檢修發(fā)現(xiàn)，套管兩端沒有進行密封處理，底部存在積水。 管線的底部存在嚴重的銹蝕現(xiàn)象，并發(fā)生了兩處穿孔，直接導致管內介質泄漏，帶來了安全隱患。 為此，有必要對穿孔失效原因進行研究。 筆者通過宏觀檢查、光譜分析、力學性能檢驗、金相檢驗及掃描電鏡和能譜分析，找出管線穿孔原因，并給出了處理建議。

1 運行工況

穿孔管線段規(guī)格為φ114mm，長約1 760mm，管內工作介質為汽油，操作壓力為-0.2MPa，操作溫度為常溫。

2 失效檢測

2.1 宏觀檢查

穿孔管段的形貌如圖1 所示。 由圖1 可見，管段左端存在一處穿孔（1#孔），呈心形狀，最大孔徑約4mm（圖1a），管段右端也存在一處穿孔（2#孔），孔呈蠕蟲狀（圖1b）；兩處穿孔均在管段的6 點鐘部位（管下部）；遠離穿孔部位的管段外表面呈淡黃色，局部存在灰色的點蝕坑（圖1c）；管段內壁發(fā)生了腐蝕，表面存在大量凹坑，穿孔附近的管段內表面覆蓋著較厚的紅褐色腐蝕產物（圖1d）。 由2#孔中間徑向剖開形貌（圖1e）可見，穿孔區(qū)域附近壁厚發(fā)生了嚴重減薄。

圖1 穿孔管段宏觀形貌

2.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對失效管段進行光譜分析（表1），結果表明，失效管段化學成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質碳素結構鋼》標準的要求。

2.3 力學性能試驗

為了研究壁厚減薄對管段拉伸性能的影響，在管段無明顯腐蝕的部位、腐蝕程度較輕的部位和腐蝕減薄的部位分別取樣進行室溫力學拉伸試驗，結果見表2。 由表2 可見，無明顯腐蝕部位和腐蝕程度較輕部位樣品的抗拉強度、 屈服強度、 斷后伸長率和沖擊功均符合GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標準的要求；腐蝕減薄部位的抗拉強度遠低于國標規(guī)定的下限，且試驗終止于屈服階段之前。

表1 管段化學成分分析結果 wt%

表2 拉伸性能分析結果

2.4 壁厚測定

將1#穿孔部位徑向剖開后的形貌如圖2 所示，經壁厚測定，管段6 點鐘位置的壁厚均值為1.7mm，可見穿孔處的壁厚發(fā)生了嚴重減薄。

圖2 1#穿孔部位徑向截面形貌

2.5 金相分析

管段穿孔處沿徑向截面分別取JX1、JX2 兩個樣品。 JX1 徑向截面形貌及其金相組織如圖3所示，可見外壁、內壁表面均發(fā)生了全面腐蝕，局部存在大小不一的凹坑，凹坑邊緣較圓滑；穿孔部位附近壁厚嚴重減薄，組織為鐵素體+珠光體。圖4 為JX2 的徑向截面形貌，可見管段外壁表面局部腐蝕較內壁表面嚴重。

2.6 掃描電鏡及能譜分析

圖3 穿孔附近區(qū)域徑向截面形貌及金相組織（JX1）

圖4 JX2 樣品徑向截面形貌 ×50

用日本JSM-6510 掃描電子顯微鏡和牛津XMax20 能譜儀分別對穿孔附近外壁、遠離穿孔處的管段6 點鐘位置外壁及內壁表面的腐蝕產物進行形貌（圖5）觀察和微區(qū)成分分析（表3）。 由分析結果可知，該部位外壁表面腐蝕產物呈顆粒狀、塊狀，整體較松散（圖5a，b）；內壁表面腐蝕產物較致密（圖5c）。外壁和內壁表面腐蝕產物均以鐵的氧化物為主，還有少量鐵的硫化物，外壁表面的S 元素含量較內壁高，同時外壁表面含有大量Cl-。 此外，外壁和內壁表面均存在大量的Na、Mg、Al、Si、K、Ca 等雜質元素。

圖5 外壁、內壁表面形貌

表3 主要元素能譜分析結果 wt%

3 討論

根據以上分析可知，失效管段化學成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質碳素結構鋼》標準要求，但嚴重減薄部位的強度已不滿足GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標準要求。 管段外壁、內壁表面均發(fā)生了全面腐蝕，穿孔失效部位外壁側發(fā)生了較嚴重的局部腐蝕。

現(xiàn)場檢修可見套管端口未堵塞或密封，導致雨、雪等進入套管內部，并以水的形式長時間積存于套管底部。 另外，管線未做防腐處理，同時也未設置陰極保護措施，使6 點鐘方向的管壁長時間與水接觸。 腐蝕產物的能譜分析結果表明水中含有大量的S 元素和Cl-， 同時含有Na、Mg、Al、Si、K、Ca 等雜質元素， 導致外壁表面發(fā)生了電化學腐蝕，Cl-加速了腐蝕過程。同時，管線運行過程中，管內抽真空后，表面存在介質殘留，導致管內壁發(fā)生了硫化物腐蝕，在外壁和內壁腐蝕的共同作用下，管段壁厚減薄。

4 結論及建議

套管端口未堵塞， 導致套管內部存在積水。管線未做防腐處理， 也未設置陰極保護措施，處于套管底部的管段外壁表面發(fā)生了電化學腐蝕，Cl-加速了腐蝕過程，同時管內壁發(fā)生了硫化物腐蝕。 在外壁和內壁腐蝕的共同作用下，管段壁厚減薄， 最后在局部腐蝕較嚴重部位最先發(fā)生穿孔。

管線在停用或檢維修狀態(tài)時對套管底部積液進行清理，停用時進行氮氣保護；對管線進行定期檢驗；對套管兩端進行密封；每年對套管外側進行導波檢測；套管做外壁防腐（管線外澆涂石油瀝青，中間夾纏玻璃布），防止因套管腐蝕而使環(huán)形空間滲入地下水或腐蝕性介質；設置陰極保護裝置，選用適當?shù)谋Ｗo工藝參數(shù)。