海洋平臺淡水系統(tǒng)不銹鋼管道焊道泄漏分析及對策

張公濤，唐寧依，孟凡然，金 濤，胡 俊

中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457

淡水系統(tǒng)作為海洋平臺水工藝系統(tǒng)的重要組成部分，為平臺的工作人員提供淡水水源，包括為生活、實驗室、洗眼站、化學(xué)注入系統(tǒng)及設(shè)備沖洗等提供淡水[1]。不銹鋼由于其良好的耐腐蝕性及綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于石油、化工行業(yè)中。結(jié)合相關(guān)標準進行管道材質(zhì)選擇，海洋平臺淡水管道采用316L不銹鋼材質(zhì)。

在渤海油田近年來投產(chǎn)的新建平臺中，暴露出多個不銹鋼管道泄漏問題，時間一般密集出現(xiàn)在平臺投產(chǎn)1年內(nèi)，淡水系統(tǒng)管道泄漏給生產(chǎn)帶來了較嚴重的影響。為進一步查明泄漏原因并采取相應(yīng)的防范措施，為后續(xù)項目提供指導(dǎo)借鑒，對淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏的原因進行了對比分析，并提出了相應(yīng)解決措施。

1 問題描述

渤海油田某作業(yè)公司所管轄的A、B兩座平臺均由同一工程項目組負責(zé)實施，兩座平臺淡水管道材質(zhì)均為316L不銹鋼，管道規(guī)格基本一致，管徑為1～4 in（1 in=25.4 mm），壓力等級150 lb（相當于667 N），管道操作溫度20℃左右，冬季采用電伴熱，外部保溫層厚度5 cm，內(nèi)部介質(zhì)為淡水。兩座平臺的淡水管道均出現(xiàn)了投產(chǎn)后1年內(nèi)管道穿孔泄漏問題。對兩座平臺出現(xiàn)的不銹鋼管道漏點進行統(tǒng)計對比：A平臺于2015年7月份投產(chǎn)，在投產(chǎn)后1年左右的時間內(nèi)，淡水系統(tǒng)管道陸續(xù)出現(xiàn)泄漏點36處；B平臺于2019年2月份投產(chǎn)，投產(chǎn)1年內(nèi)，淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏點11處，較A平臺出現(xiàn)的泄漏點明顯降低。

2 問題分析及解決思路

2.1 泄漏點信息統(tǒng)計對比

對A平臺淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏的部位進行統(tǒng)計，主要泄漏點有2類。第1類為管道對接焊道處：通過對漏點處進行切割，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)壁出現(xiàn)夾渣、氣泡，焊縫表面銹蝕，焊接質(zhì)量較差，在使用過程中出現(xiàn)漏點數(shù)量為25處（見圖1（a））；第2類為管鞋與管道焊接處：淡水管道采用固定式管鞋，管鞋與管道直接對焊，焊接處管鞋內(nèi)壁出現(xiàn)明顯的腐蝕泄漏點，漏點數(shù)量為11處（見圖1（b））。

圖1 A平臺淡水管道泄漏點位

對B平臺淡水系統(tǒng)管道出現(xiàn)泄漏的部位進行統(tǒng)計，主要泄漏點有1類，位于管道焊縫處。現(xiàn)場外觀檢查焊縫焊接質(zhì)量較差，有較大孔眼，漏點數(shù)量為9處（見圖2）。

圖2 B平臺淡水管道泄漏點位

平臺不銹鋼管道焊接方式共有3類：第1類為管道對焊方式，主要適用于管徑2 in及以上管道的對接；第2類為管道插焊方式，主要用于管徑2 in以下的管道焊接；第3類為管鞋焊接，主要用于管道的底部承重焊接。對A、B兩平臺不銹鋼管道漏點進行梳理對比，得出以下統(tǒng)計結(jié)論：第一，A、B兩平臺采用插焊方式的焊口均未出現(xiàn)漏點，即管徑2 in以下的管道焊口未出現(xiàn)漏點；第二，A平臺出現(xiàn)11處管鞋焊接類漏點，B平臺未出現(xiàn)管鞋焊接類漏點；第三，出現(xiàn)漏點的焊道全部為管徑2in以上的對焊焊道口。A、B平臺管道焊口漏點對比見表1。

表1 A、B平臺不銹鋼管道對口焊接合格率統(tǒng)計對比

通過工程項目質(zhì)量過程跟蹤管理程序，查找A、B平臺對應(yīng)漏點的淡水系統(tǒng)管道焊道信息，針對焊接環(huán)境，區(qū)分了車間內(nèi)預(yù)制的焊道口與現(xiàn)場施工焊道口信息。A、B平臺上管道對焊車間焊接口與現(xiàn)場焊接口統(tǒng)計情況對比見表2。

表2 A/B平臺不銹鋼管道對焊車間焊接口與現(xiàn)場焊接口統(tǒng)計對比

2.2 施工管理措施對比

不銹鋼管道施工焊接過程按照焊接工藝規(guī)程采取充氬氣進行保護作業(yè)，過程需使用氧氣測試儀檢測管內(nèi)氧氣體積分數(shù)，最大氧氣體積分數(shù)不超過0.1%（即1 000 ppm，1 ppm=10-6）。焊道完成后，根據(jù)規(guī)格書要求，需要做100%的外觀檢驗，按比例進行RT（射線探傷檢驗）抽檢。水壓試驗要求用氯離子質(zhì)量分數(shù)低于50 ppm的潔凈淡水作為試驗介質(zhì)，試壓后排凈所有淡水并用氣吹干。

A平臺于2014年6月開工建造，2015年7月投產(chǎn)，2016年出現(xiàn)不銹鋼管道大面積泄漏問題。針對泄漏問題，經(jīng)漏點信息分析、材質(zhì)檢驗、焊接記錄追溯等，提出以下措施，以便為未來實施項目提供借鑒。

（1）避免采用管鞋與管道直接焊接的方式，宜采用U型螺栓、管箍、管卡等非焊接固定支撐方式進行替代，避免焊接過程中產(chǎn)生的管道燒穿、焊接缺陷，以減少漏點。

（2）加強不銹鋼管道焊接過程質(zhì)量控制，提高不銹鋼管道焊口無損檢驗比例。抽檢口按50道口一組，RT抽檢比例提升至20%（A平臺施工時按10%抽檢），且規(guī)定若每組中抽檢到1道口不合格，則該組所有焊口進行100%RT檢驗。

（3）加強對施工場地不銹鋼材料存放的管理，避免出現(xiàn)材質(zhì)污染。針對管道材質(zhì)問題，排查出現(xiàn)問題的不銹鋼管材生產(chǎn)廠家，在后續(xù)項目中禁止使用其產(chǎn)品，同時增加材料入場復(fù)檢化學(xué)成分分析程序，以增強管材質(zhì)量的把控。

（4）嚴格控制水壓試驗過程，對試壓水質(zhì)進行檢測，合格后方可用于水壓試驗，同時嚴格執(zhí)行試壓后管道的吹掃干燥程序，保證管道干燥。

（5）在焊接過程中，施工人員應(yīng)嚴格執(zhí)行《管線焊接工藝規(guī)程》，注意焊接參數(shù)、焊接熱輸入量的控制，背部充氬并監(jiān)測氬氣純度，返修工作滿足《管線焊接修復(fù)程序》，質(zhì)控人員加強過程巡檢。

B平臺于2017年7月開工建造，淡水系統(tǒng)不銹鋼管道相關(guān)設(shè)計技術(shù)要求及質(zhì)量控制要求按照上述5條措施開展，不銹鋼管道整體實施質(zhì)量有了明顯改善。對比于A平臺，B平臺1年內(nèi)不銹鋼管道泄漏點在管鞋類泄漏點問題上，因采用了非焊接管鞋設(shè)計，管鞋類泄漏點下降了100%；在不銹鋼焊道類泄漏點問題上，整體下降了40%，其中車間焊口泄漏點下降了54%，現(xiàn)場焊口泄漏點下降了45%，印證了上述5條措施實施有效。

3 問題進一步分析

B平臺晚于A平臺建造，通過采取質(zhì)量提升措施，不銹鋼管道泄漏問題得到大幅改善，但仍不能滿足項目管理目標，針對B平臺仍出現(xiàn)的問題，開展了進一步分析。

3.1 材質(zhì)因素

對出現(xiàn)漏點的管段進行PMI金屬材質(zhì)檢測分析，從檢測結(jié)果可以看出母材中的Cr、Ni和Mo元素含量處于標準要求的下限區(qū)間。實際檢測結(jié)果見表3。

表3 Cr、Ni和Mo元素檢驗結(jié)果對比

由PMI金屬材質(zhì)檢測分析結(jié)果可知，母材中Cr元素的質(zhì)量分數(shù)在17%以下，符合材料標準要求。但是根據(jù)材料學(xué)理論，當Cr元素質(zhì)量分數(shù)為17%時其處在不銹鋼耐腐蝕性能的臺階值位置，母材本身的耐腐蝕性能相對較低，因而管道在使用過程中，將從Cr含量較低區(qū)域首先發(fā)生腐蝕[2-3]。根據(jù)上述結(jié)果，推測管道出廠時材質(zhì)本身存在一定質(zhì)量問題，加上現(xiàn)場檢驗措施有限，因而未能發(fā)現(xiàn)全部問題；另外也存在管道因現(xiàn)場存放保管不當，而造成局部滲碳的可能。

3.2 介質(zhì)腐蝕

觀察焊道切口，可見管道內(nèi)壁存在雜質(zhì)，內(nèi)部有腐蝕情況。部分管道內(nèi)部出現(xiàn)縱向水線，泄漏點的位置均在水線以下區(qū)域。據(jù)此推測水壓試驗結(jié)束后并未嚴格按照規(guī)程吹掃干凈，未排干積水，有殘存水聚集的情況存在，殘存水提供了腐蝕介質(zhì)，導(dǎo)致管道在存放期間逐漸發(fā)生點蝕穿孔[4]。

3.3 焊接工藝

對于小管徑薄壁不銹鋼管道，焊接過程中存在溫度上升速度快，降溫速度慢的特點，導(dǎo)致焊接過程中層間溫度超出最高150℃的要求，或者長時間停留在較高溫度區(qū)間。這種情況下，焊縫及熔合線溫度在800～450℃的停留時間相對變長，導(dǎo)致Cr23C6的大量形成，從而引起晶間貧鉻，最終導(dǎo)致晶間腐蝕的發(fā)生[5]。

另外從泄漏管段特征來看，有部分管段管道背部焊縫存在一定的氧化情況，局部氧化發(fā)黑。由于現(xiàn)場焊接口的背保護充氣相對困難，氧含量不易降低，在焊接過程中背部存在潛在的氧化情況，從而導(dǎo)致合金元素包括鉻元素的氧化和燒損，最終引起局部腐蝕[6]。

4 結(jié)論及建議

綜合分析A、B平臺出現(xiàn)的不銹鋼管道泄漏問題，B平臺通過管理提升后取得的改善成果，以及對B平臺仍然存在的問題所開展的進一步分析，提出新的解決措施如下：

第一，建議提高所使用的不銹鋼管道的技術(shù)標準，保證不銹鋼管道、管件、焊材等的出廠質(zhì)量。

第二，通過采取增加車間焊接口、現(xiàn)場法蘭口、現(xiàn)場插焊口數(shù)量等措施，減少現(xiàn)場焊口數(shù)量，從而減少焊接漏點。

第三，加強管道清掃、干燥管理，在項目檢驗試驗計劃（ITP）中相應(yīng)提高管道清掃、干燥檢驗的等級。

第四，控制焊接工藝，對焊接過程中出現(xiàn)的氧化點進行酸洗鈍化處理。

第五，建議考慮適當增加不銹鋼管道焊口處的壁厚。