國產(chǎn)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(fā)過程中，可能會發(fā)生火災(zāi)、溢油、爆炸等各類事故，這些事故造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失，污染海洋環(huán)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(yán)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(zhì)和性能提出了一定的技術(shù)要求。

南中國海某氣田是高溫高壓、高二氧化碳、高產(chǎn)量的大型整裝氣田，氣田設(shè)計(jì)啟動初期就已充分考慮高溫高壓高產(chǎn)氣田的安全性及穩(wěn)定性，管線在選材過程中，一是按管線過流介質(zhì)特性的壓力、溫度等高低差別，對管線的材質(zhì)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(diào)質(zhì)系統(tǒng)及天然氣放空系統(tǒng)均采用316L 不銹鋼耐低溫的材料；主生產(chǎn)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(fù)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(dá)到管線使用的最大經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

1 檢測方法

國產(chǎn)超級雙相不銹鋼加工制造起步較晚，加之我國冶金業(yè)水平也比國外發(fā)達(dá)國家落后，國產(chǎn)的超級雙相鋼材料性能較弱，其鋼廠也缺少成熟的生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，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(nèi)對于超級雙相不銹鋼使用場所不多，國內(nèi)生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不多，從實(shí)際的使用情況來看，國內(nèi)幾家生產(chǎn)實(shí)力較強(qiáng)的廠家生產(chǎn)的產(chǎn)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(xì)紋路。端口內(nèi)部存在縱向不規(guī)則間斷細(xì)紋，范圍較小，也存在個別管線內(nèi)部間斷細(xì)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(nèi)缺陷匯總表

圖1 管線內(nèi)壁間斷細(xì)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(jī)械拋光，選用2%的硝酸酒精腐蝕液對試樣表面進(jìn)行腐蝕，觀測金相組織。通過沖擊性能試驗(yàn)檢測其力學(xué)性能，通過PMI 檢測驗(yàn)證其化學(xué)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分與力學(xué)性能

在有缺陷管線上取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2，UNS S32750 主要合金元素是Cr、Ni、Mo 和N，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%Cr、7%Ni、4%Mo、0.25%N 材料的化學(xué)成分符合UNS S32750 的技術(shù)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(xué)性能檢測見下表3。

表2 化學(xué)成分分析（w%）

表3 力學(xué)性能

2.2 金相分析

金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，采用定量金相學(xué)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(jì)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(guān)系。將圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用于金相分析，具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高工作效率。

在缺陷管線上取樣，對管線材料進(jìn)行金相顯微組織分析，其檢測結(jié)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(qū)域?yàn)殍F素體，淺色區(qū)域?yàn)閵W氏體，黑色點(diǎn)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(yīng)力腐蝕破裂的能力，而且機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)，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(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點(diǎn)。

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(xì)作用原理為基礎(chǔ)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(jìn)行評定。檢測結(jié)果如圖3 所示，可看出某支管線缺陷為毛細(xì)紋路，疑似裂紋，另一支管線出現(xiàn)圓形紋路，疑似點(diǎn)狀穿孔。經(jīng)分析表面缺陷為絞直工藝過程導(dǎo)致的絞痕以及生產(chǎn)運(yùn)輸中的劃傷，其深度在1mm以內(nèi)，深度未超材料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)要求（標(biāo)準(zhǔn)壁厚的-12.5%），可以通過修磨方式修復(fù)。

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(zhì)的區(qū)別，都是電磁波，只是X 射線的光量子的能量遠(yuǎn)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(zhì)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)作用，可以使原子發(fā)生電離，使某些物質(zhì)發(fā)出熒光，還可以使某些物質(zhì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。如果工件局部區(qū)域存在缺陷，它將改變物體對射線的衰減，引起透射射線強(qiáng)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(qiáng)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(xiàn)場時，需要對材料進(jìn)行檢驗(yàn)復(fù)查，其中發(fā)現(xiàn)不同批次號少數(shù)幾根超級雙相鋼管線焊縫管存在一定的質(zhì)量問題，如無縫管內(nèi)、外表面均發(fā)現(xiàn)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(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)底片呈現(xiàn)線狀陰影（如圖4 所示），疑似條形缺陷。經(jīng)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(qiáng)，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(chǎn)生“小孔”實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，等離子弧穿透力強(qiáng)，是穿透型焊接方法，當(dāng)母材有錯邊時，易于出現(xiàn)這種內(nèi)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(nèi)焊縫）沿焊接處的母材熔化出現(xiàn)內(nèi)咬邊，這樣內(nèi)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(xiàn)出線狀陰影。為驗(yàn)證陰影并不是現(xiàn)場施工原因造成的，現(xiàn)場找來2 組同類型的焊口實(shí)物，切開環(huán)焊縫后觀察內(nèi)焊縫表面，在底片直縫內(nèi)焊縫一側(cè)焊接處有線狀黑色影像，把管切開后，對照發(fā)現(xiàn)管內(nèi)焊縫一側(cè)有輕微咬邊。管口對接部位，在對接前進(jìn)行了打磨，底片上則沒有出現(xiàn)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(jī)把實(shí)物內(nèi)焊縫往管里打磨一段使其與母材齊平，打磨平后內(nèi)咬邊消失。根據(jù)探傷規(guī)范ASME B31.3，咬邊深度≤1mm 為合格，現(xiàn)場內(nèi)咬邊深度均小于1mm，所以現(xiàn)場直縫焊管內(nèi)咬邊符合射線檢驗(yàn)要求。

圖4 射線檢測坡口咬邊示意圖

3 施工解決方案

經(jīng)過以上分析檢測，對于改善管線表面存在質(zhì)量缺陷的難題，從2 個方面著手解決，一是在根源上，調(diào)整原材料制作成品時工藝參數(shù)，從生產(chǎn)到檢驗(yàn)環(huán)節(jié)把關(guān)，責(zé)任到人，特別是加強(qiáng)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(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，確定無質(zhì)量問題再放行。二是現(xiàn)場施工，對已發(fā)送到氣田建造現(xiàn)場的管線，在返廠復(fù)檢合格的情況下，對表面進(jìn)行目視檢測，打磨可見缺陷并對橫向缺陷處進(jìn)行PT 檢測，直到消除缺陷；焊管內(nèi)部缺陷按廠家的技術(shù)要求返修程序進(jìn)行復(fù)修，并進(jìn)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(jìn)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(jìn)行復(fù)審，排除焊管可能存在的其他缺陷；排查現(xiàn)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(jìn)行打磨，消除管端咬邊缺陷，并做標(biāo)記，后續(xù)焊接后對焊口進(jìn)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(nèi)咬的產(chǎn)生。焊管管端焊道100mm 打磨至與板材平齊，既方便現(xiàn)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(xì)化技術(shù)要求，增加內(nèi)、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(jié)論

筆者對UNS S32750 管線鋼在南中國海的實(shí)際應(yīng)用中存在問題進(jìn)行分析，可得以下結(jié)論：1）UNS S32750 管線鋼外表面產(chǎn)生的疑似裂紋及疑似點(diǎn)狀穿孔缺陷為絞直工藝過程導(dǎo)致的絞痕以及生產(chǎn)運(yùn)輸中的劃傷，可通過表面修磨方式去除。2）UNS S32750 管線鋼內(nèi)表面焊縫內(nèi)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(yīng)在焊接前對管端100mm 進(jìn)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(chǎn)超級管線鋼制造和加工水平有限，因此應(yīng)在相關(guān)技術(shù)要求中增加內(nèi)、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(chǎn)超級雙相鋼在南中國海整裝氣田大規(guī)模地成功應(yīng)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(nèi)超級雙相鋼管線生產(chǎn)制造工藝發(fā)展提出更高要求，需要在今后一段時間解決生產(chǎn)制造中出現(xiàn)的各項(xiàng)技術(shù)問題，優(yōu)化制造工藝，提高產(chǎn)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(yè)基礎(chǔ)。同時我國南中國海氣田開發(fā)已經(jīng)趨于常態(tài)化，高溫高壓氣田、超高溫高壓氣田開發(fā)都已經(jīng)提上日程，對于氣田生產(chǎn)工藝管線匹配的超級雙相鋼管線也將提出更多的技術(shù)要求，我國的超級雙相鋼管線生產(chǎn)制造工藝的成熟，生產(chǎn)能力的提高，技術(shù)日趨完善都將對海洋石油開發(fā)提供技術(shù)支持，有助于我國的南中國海油氣大開發(fā)，助力于中國的海洋石油工業(yè)發(fā)展。