國產超級雙相鋼管材在海上油田的失效分析

高安泰

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

在海洋石油開發過程中，可能會發生火災、溢油、爆炸等各類事故，這些事故造成不同程度的經濟損失，污染海洋環境，其中以溢油和高壓氣田泄漏造成的危險和污染后果最為嚴重。然而這些油品和天然氣都是高速流動在高壓管道中，這就對管道的材質和性能提出了一定的技術要求。

南中國海某氣田是高溫高壓、高二氧化碳、高產量的大型整裝氣田，氣田設計啟動初期就已充分考慮高溫高壓高產氣田的安全性及穩定性，管線在選材過程中，一是按管線過流介質特性的壓力、溫度等高低差別，對管線的材質由高到低依次排列；二是遵循工藝處理過程的天然氣屬性是濕氣和干氣來劃界；三是低溫調質系統及天然氣放空系統均采用316L 不銹鋼耐低溫的材料；主生產工藝流程的管線、水管線及三甘醇脫水塔之前的濕氣管線均由超級雙相不銹鋼、雙相不銹鋼、不銹鋼、復合材料（碳鋼+3mm 厚316L）等組成，其余管線選用性價比高的“碳鋼+腐蝕裕量”的方式，達到管線使用的最大經濟效益[1-3]。

1 檢測方法

國產超級雙相不銹鋼加工制造起步較晚，加之我國冶金業水平也比國外發達國家落后，國產的超級雙相鋼材料性能較弱，其鋼廠也缺少成熟的生產制造經驗，因此超級雙相不銹鋼高壓工藝管線制造還處于摸索和試制階段。

由于國內對于超級雙相不銹鋼使用場所不多，國內生產廠家和生產經驗不多，從實際的使用情況來看，國內幾家生產實力較強的廠家生產的產品都還存在不同程度的制造問題。

超級雙相鋼管線外表面存在缺陷，缺陷為毛細紋路。端口內部存在縱向不規則間斷細紋，范圍較小，也存在個別管線內部間斷細紋較多的問題，如圖1 所示。對同批次的管線檢查匯總情況見下表1。

表1 同批次管線內缺陷匯總表

圖1 管線內壁間斷細紋

為更好地分析管線失效原因，特在失效管線上取管材樣品，使用砂紙研磨至2000#后機械拋光，選用2%的硝酸酒精腐蝕液對試樣表面進行腐蝕，觀測金相組織。通過沖擊性能試驗檢測其力學性能，通過PMI 檢測驗證其化學成分。另外，對管線通過采用包括滲透檢測、射線檢測等無損探傷方法檢測表面缺陷類型。

2 試驗結果與分析

2.1 化學成分與力學性能

在有缺陷管線上取樣，進行化學成分分析，結果見表2，UNS S32750 主要合金元素是Cr、Ni、Mo 和N，其質量分數分別為25%Cr、7%Ni、4%Mo、0.25%N 材料的化學成分符合UNS S32750 的技術要求（ASME A240），較高的鉻、鉬及氮含量使它具有很高的抗斑蝕、裂隙腐蝕及一般腐蝕的能力。其力學性能檢測見下表3。

表2 化學成分分析（w%）

表3 力學性能

2.2 金相分析

金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，采用定量金相學原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關系。將圖像處理系統應用于金相分析，具有精度高、速度快等優點，可以大大提高工作效率。

在缺陷管線上取樣，對管線材料進行金相顯微組織分析，其檢測結果如圖2 所示，由此可見其顯微組織為奧氏體+鐵素體+析出相，其中深色區域為鐵素體，淺色區域為奧氏體，黑色點狀物為析出相。鐵素體和奧氏體各占50%左右[4-5]。UNS S32750 雙相顯微組織保證了該鋼具有很高的抗應力腐蝕破裂的能力，而且機械強度也很高。由金相組織可得該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持鐵素體不銹鋼的475℃脆性，導熱系數高，具有超塑性等特點。

圖2 S32750 典型金相組織

2.3 無損檢測分析

2.3.1 滲透檢測

滲透檢測（Penetrant Testing，縮寫符號為PT），又稱滲透探傷，是一種以毛細作用原理為基礎的檢查表面開口缺陷的無損檢測方法。S32750 超級雙相鋼管線外表面存在缺陷，采用滲透檢測對外表面缺陷進行評定。檢測結果如圖3 所示，可看出某支管線缺陷為毛細紋路，疑似裂紋，另一支管線出現圓形紋路，疑似點狀穿孔。經分析表面缺陷為絞直工藝過程導致的絞痕以及生產運輸中的劃傷，其深度在1mm以內，深度未超材料執行標準要求（標準壁厚的-12.5%），可以通過修磨方式修復。

圖3 管線滲透檢測示意圖

2.3.2 射線檢測

X 射線與自然光并沒有本質的區別，都是電磁波，只是X 射線的光量子的能量遠大于可見光。它能夠穿透可見光不能穿透的物體，而且在穿透物體的同時將和物質發生復雜的物理和化學作用，可以使原子發生電離，使某些物質發出熒光，還可以使某些物質產生光化學反應。如果工件局部區域存在缺陷，它將改變物體對射線的衰減，引起透射射線強度的變化，這樣，采用一定的檢測方法，例如利用膠片感光，來檢測透射線強度，就可以判斷工件中是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小。

超級雙相鋼管線施工現場時，需要對材料進行檢驗復查，其中發現不同批次號少數幾根超級雙相鋼管線焊縫管存在一定的質量問題，如無縫管內、外表面均發現裂紋狀缺陷，這些缺陷分布較廣，而且其本身延展較長[6]。焊縫管主要有焊縫未熔合、較深的弧坑、較深母材凹坑、電弧燒傷母材等較明顯的外觀缺陷。

管線焊接焊縫在做X 射線檢測（RT）無損探傷檢驗過程中，發現底片呈現線狀陰影（如圖4 所示），疑似條形缺陷。經分析后可能是由于以下原因：焊接管采用“等離子打底+鎢極氬弧焊填充蓋面”工藝，等離子弧焊接方法穿透力強，焊接時鈍邊之間不留間隙，坡口為對接方式。焊接時靠離子氣在熔池前端產生“小孔”實現單面焊雙面成型，等離子弧穿透力強，是穿透型焊接方法，當母材有錯邊時，易于出現這種內咬邊。等離子弧穿透熔化的母材鈍邊后電弧造成母材背面（焊管內焊縫）沿焊接處的母材熔化出現內咬邊，這樣內咬邊、錯邊和焊縫輪廓線陰影疊加在一起，所以在底片上呈現出線狀陰影。為驗證陰影并不是現場施工原因造成的，現場找來2 組同類型的焊口實物，切開環焊縫后觀察內焊縫表面，在底片直縫內焊縫一側焊接處有線狀黑色影像，把管切開后，對照發現管內焊縫一側有輕微咬邊。管口對接部位，在對接前進行了打磨，底片上則沒有出現黑色影像，可以佐證咬邊深度很小，并非未熔合缺陷。另一組對接前打磨過位置，沒有黑色影像。用角磨機把實物內焊縫往管里打磨一段使其與母材齊平，打磨平后內咬邊消失。根據探傷規范ASME B31.3，咬邊深度≤1mm 為合格，現場內咬邊深度均小于1mm，所以現場直縫焊管內咬邊符合射線檢驗要求。

圖4 射線檢測坡口咬邊示意圖

3 施工解決方案

經過以上分析檢測，對于改善管線表面存在質量缺陷的難題，從2 個方面著手解決，一是在根源上，調整原材料制作成品時工藝參數，從生產到檢驗環節把關，責任到人，特別是加強表面缺陷的檢查；成品超聲探傷要增加探橫向缺陷的要求；出廠前將全部產品進行檢驗，確定無質量問題再放行。二是現場施工，對已發送到氣田建造現場的管線，在返廠復檢合格的情況下，對表面進行目視檢測，打磨可見缺陷并對橫向缺陷處進行PT 檢測，直到消除缺陷；焊管內部缺陷按廠家的技術要求返修程序進行復修，并進行射線探傷檢測。

對于管端頭焊縫裂紋（圖5），處置的辦法是在焊接前對管端100mm 進行修磨，修磨后管端100mm 無咬邊，且修磨后任意位置厚度不小于管壁最小要求壁厚（90%S，其中S 表示單位mm）；全部焊管探傷資料（包括但不限于制造記錄、探傷記錄、返修資料、平頭矯直記錄）進行復審，排除焊管可能存在的其他缺陷；排查現場所有已焊接的焊管管端，找出須增加RT 檢測的焊口，對未做RT 檢測的焊口增加RT 檢測，對未使用焊管管端進行打磨，消除管端咬邊缺陷，并做標記，后續焊接后對焊口進行100%RT 檢測[7]。

圖5 直焊縫坡口型式

另外，采用雙面焊焊接形式，可有效避免焊管內咬的產生。焊管管端焊道100mm 打磨至與板材平齊，既方便現場橢圓度測量，也可使用PAUT 這種新的檢測手段，降低缺陷率。細化技術要求，增加內、外表面缺陷深度上限。超級雙相鋼管線出廠前增加拋光工藝，將表面缺陷在拋光工藝中除掉。

4 結論

筆者對UNS S32750 管線鋼在南中國海的實際應用中存在問題進行分析，可得以下結論：1）UNS S32750 管線鋼外表面產生的疑似裂紋及疑似點狀穿孔缺陷為絞直工藝過程導致的絞痕以及生產運輸中的劃傷，可通過表面修磨方式去除。2）UNS S32750 管線鋼內表面焊縫內咬邊缺陷是焊接工藝造成的，可采用雙面焊焊接方式改善。3）對于管端頭焊縫裂紋，應在焊接前對管端100mm 進行修磨，且修磨后任意位置厚度不小于管壁最小要求壁厚（90%S）。4）由于國產超級管線鋼制造和加工水平有限，因此應在相關技術要求中增加內、外表面缺陷深度上限，出廠前增加拋光工藝，消除表面缺陷。

國產超級雙相鋼在南中國海整裝氣田大規模地成功應用，有效地提高了我國超級雙相鋼管線制造和加工水平，同時對國內超級雙相鋼管線生產制造工藝發展提出更高要求，需要在今后一段時間解決生產制造中出現的各項技術問題，優化制造工藝，提高產品成品率，為我國超級雙相鋼管線制造奠定良好的民族工業基礎。同時我國南中國海氣田開發已經趨于常態化，高溫高壓氣田、超高溫高壓氣田開發都已經提上日程，對于氣田生產工藝管線匹配的超級雙相鋼管線也將提出更多的技術要求，我國的超級雙相鋼管線生產制造工藝的成熟，生產能力的提高，技術日趨完善都將對海洋石油開發提供技術支持，有助于我國的南中國海油氣大開發，助力于中國的海洋石油工業發展。