管線鋼管焊接接頭腐蝕環境失效與安全評價研究現狀

劉 碩

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

管道運輸是油氣資源快捷、高效、經濟、安全的輸送方式,隨著近年來工業迅速發展以及由此帶來的能源需求飛速增長,油氣長輸管道建設也得到迅猛發展。國外的油氣輸送管道建設歷史比較悠久,無論是陸地管線還是海洋管線,均已經構建了成熟的管道網絡體系,并穩定運營,為當地的經濟發展和社會進步發揮了至關重要的作用。在國內,油氣管線建設盡管起步較晚,但近年來呈現出跨越式發展態勢,通過西氣東輸二線、西氣東輸三線、陜京四線、中俄東線等大口徑高輸量X80管道建設,我國已經成為世界上高等級X80管道鋪設與服役量最多的國家[1-2]。隨著去年國家石油天然氣管網集團有限公司的正式成立,未來“十四五”期間,我國長輸管道的投資、規劃、設計、建設與運營將統籌開展,這將大大提高管線建設與輸送效率,確保實現互聯互通。

現場環縫焊接是管道施工建設的主要工序和關鍵環節。不均勻加熱與冷卻造成非平衡凝固與固態相變,是焊接加工固有的特征,這也導致環縫焊接接頭成為整個管線系統理論上最薄弱的環節,并對后續管線服役運營安全與各種失效風險產生不利影響[3-4]。在役管線的失效破壞從本質上來說,是因為外部載荷(包括應力應變、腐蝕介質、溫度、磨料摩擦磨損等)造成的失效破壞驅動力超過了管道本身對失效破壞的阻力。所以,研究管道運行失效模式與管道本身性能的相關性,有助于從根本上掌握管道失效破壞的規律,并根據具體的服役條件制定安全運營保障對策[5]。

針對高壓油氣輸送管線,服役過程中的失效破壞方式主要包括延性斷裂、脆性斷裂、疲勞開裂、應力腐蝕(SSCC)開裂、氫致開裂(HIC)等,特別是在輸送含有H2S、CO2等腐蝕介質以及管道服役外部大氣、土壤環境pH值變化與吸氫條件下,管道系統SSCC、HIC敏感性將增加,并經常與脆性斷裂、疲勞開裂交互作用,這將加速管道環縫焊接接頭的失效破壞[6]。針對管道系統施工與運營安全的工程臨界評估(ECA),BS7910標準給出了一般的方法與流程,針對不同保守度級別,在進行服役載荷等效計算、線性分析的基礎上,對材料或結構性能特征參數進行輸入,可以得到特定條件下最大缺陷容許尺寸,并能夠計算結構服役壽命。但是,該標準沒有考慮腐蝕介質環境對結構安全的不利影響,對腐蝕介質服役環境下接頭安全評價沒有直接指導作用。DNVGL-RP-F108標準結合前期工程實踐經驗,特別是參考DNVGL策劃并聯合工業界共同發起的JIP項目研究成果,提出了酸性腐蝕環境下管線管接頭斷裂與疲勞安全評價準則,通過在進行斷裂韌性與疲勞裂紋擴展速率測試試驗時引入典型酸性環境,特別是使H+在疲勞裂紋尖端充分擴散并聚集,加速裂紋擴展與斷裂失效,并將酸性環境下得到的斷裂韌性與疲勞裂紋擴展速率值作為后續ECA評估的輸入參數,從而充分考慮酸性腐蝕環境對管線鋼管環縫焊接接頭運行安全的影響。

2 服役條件下管線鋼管的失效模式

表1 不同種類載荷引起的管線失效模式

3 管線鋼管的應力腐蝕與氫致開裂

SSCC是在拉伸應力(外部載荷或焊接殘余應力)和腐蝕介質聯合作用下產生的一種低應力失效破壞。一般認為,SSCC是由于材料內部電極電位差形成了原電池效應,由此引起的陽極溶解以及陰極氫致脆化共同造成。所以,SSCC與HIC經常同時發生作用,如圖1所示。陽極(原電池的負極)反應為:M=M++e-,也就是較活潑金屬被氧化,并釋放出自由電子。陰極(原電池的正極)反應為:e-+H+=H,也就是聚集在陰極的氫離子發生還原反應,得到自由電子后生成氫分子,并以氫氣的形式擴散逸出。外部拉伸應力的作用將加速陽極溶解與陰極氫離子聚集與還原,增加SSCC敏感性[5]。

圖1 應力腐蝕開裂機理

一般地,SSCC由應力腐蝕臨界應力場強度因子(KⅠ SCC,可以通過斷裂力學的方法測得)定量表示,當裂紋前端應力強度因子KⅠ>KⅠ SCC時,就會發生應力腐蝕失效破壞。針對寶鋼生產的X65MS管線鋼管,已有基于NACE TM 0177溶液(0.5%醋酸、5%氯化鈉、飽和硫化氫水溶液)、應用GB12445.3規定的楔形張開加載預裂紋應力腐蝕試驗方法,分別研究管體母材、焊接熱影響區、焊縫金屬臨界應力場強度因子(KⅠ SCC)與裂紋擴展速率(da/dt)。結果表明:管體母材與焊縫金屬具有較高的抗SSCC能力,這主要與其存在的尺寸較小、交叉分布、大角度晶界明顯、高密度亞結構與可動位錯的針狀鐵素體與下貝氏體組織狀態有關,這種組織類型在拉應力誘導硫化氫腐蝕介質中開裂時具有很高的能量,表現出較強的SSCC抗力。然而,熱影響區粗晶區組織以粒狀貝氏體、粗大板條狀貝氏體、多邊形鐵素體為主,晶粒粗大,硬度較高,在拉伸應力與腐蝕介質共同作用下很容易發生失效。綜合來看,X65MS管線管及其焊接接頭在含有Cl-的H2S腐蝕環境下,具有較高的應力腐蝕開裂敏感性。因為疲勞裂紋尖端存在較大的應力集中,H+在應力誘導作用下向裂紋尖端擴散并聚集,而焊接過程中形成的顯微缺陷、空洞、不連續與非金屬夾雜等,也會成為氫陷阱而使氫發生聚集形成氫分子,當氫分壓很高并超過材料斷裂強度時,就發生失效斷裂[8]。

應用慢應變速率試驗(SSRT)進行SSCC敏感性評價,屬于動載荷試驗方法,能夠精確控制應變速率和腐蝕速率兩個重要參數。已有研究表明:如果應變速率過大,材料還來不及發生應力腐蝕失效,便發生了塑性斷裂。反之,如果應變速率很小,腐蝕鈍化膜破裂后,有足夠的時間重新發生鈍化,使裂紋尖端金屬避免發生陽極溶解與陰極析氫的腐蝕破壞。在保證不發生重新鈍化的前提下,應變速率降低,增加了氫在裂紋尖端擴散聚集的程度,加速材料發生應力腐蝕破壞的進度。當H2S等腐蝕介質濃度升高時,SSCC敏感性增加。從電化學腐蝕的角度分析,焊接接頭區域組織粗大、微小焊接缺陷與結構不連續多,并存在較高的焊接殘余拉應力,即使焊縫和管體母材化學成分接近,焊縫區域電位也低于管體母材,在發生原電池反應時,焊縫優先被腐蝕。同時,焊縫的表面積遠遠小于管體母材,這種小陽極(焊縫)大陰極(管體母材)原電池效應將加速焊縫區域的腐蝕[9]。

目前工業界普遍應用的四點彎曲恒載荷SSCC敏感性評價試驗中,普遍采用NACE A標準溶液進行。然而,當前已有研究表明:對于碳鋼與低合金鋼管而言,NACE A標準溶液偏苛刻。因為對于H2S含量較高的輸送介質,一般應用耐蝕鋼管或雙金屬復合管輸送至處理場站,經過處理的輸送介質H2S含量大大降低。從合于使用的角度考慮,有必要開發新的符合實際使用場所的SSCC試驗溶液,降低評價結果的保守度。通過不同腐蝕介質環境的SSCC敏感性評估,找到適合不同腐蝕介質服役場合的臨界腐蝕溶液條件[5,10]。

HIC是一個非常復雜的過程,針對氫致開裂的機理研究也有很多。一般認為:金屬材料或焊接接頭中的氫原子在應力作用下容易向結構內部的三向應力集中區聚集,包括裂紋或缺口尖端、晶界或相界面、位錯聚集處、應變集中處等,氫原子濃度增大,一者可能由于內壓力過大發生斷裂,二者可以降低晶粒間結合力或相界面結合力,從而引起脆性斷裂。焊接接頭中的氫可能來源于母材或焊接材料,也可能來源于外界環境的滲透。當SSCC與HIC存在交互作用時,對接頭的危害作用更大[5-6]。圖2所示為氫致開裂機理。

圖2 氫致開裂機理

已有研究表明:環境中氫濃度、材料或結構在氫氣氛中的暴露時間以及材料或結構組織狀態等因素,都對氫致開裂具有重要影響。通過在不同pH值溶液中電化學充氫并評價對X70管線鋼材料力學性能的影響得知:隨著溶液pH值的降低、充氫時間的延長,氫脆敏感性增加。特別地,材料中的溶質原子、空位、位錯、晶界以及夾雜物都是高能量氫陷阱,對材料或結構的氫損傷具有非常重要的作用。然而,通過對實際的X70管線鋼電化學充氫試驗后SEM與EDS分析發現:氮化物與氫致開裂行為沒有必然聯系,而Ca、Al、Mg的氧化物以及Ca的硫化物對HIC具有不利影響。這也為今后該領域材料設計提供了重要指導方向[11]。

4 酸性介質下的工程臨界評估(ECA)

工程臨界評估(ECA)是基于合于使用原則,以斷裂力學、材料力學、彈塑性力學及可靠性系統工程為基礎,在承認焊接結構中可能存在形狀尺寸、性能指標偏差和宏觀缺陷的前提下,通過進行等效應力分析、斷裂力學分析、材料試驗、質量檢查、無損探傷等過程,保證結構在施工和服役期間不發生任何可預見的如脆性破壞、疲勞失效、應力腐蝕失效等事故。當前,基于BS7910標準的ECA評估方法得到業界廣泛認可[12-13]。

BS7910評定方法以斷裂力學為基礎,采用失效評定圖(FAD)進行評定。根據斷裂力學理論,當受載結構中存在裂紋等缺陷時,裂紋尖端將產生一個驅動力并導致裂紋擴展,該驅動力稱為應力強度因子(KⅠ),與結構所受載荷以及裂紋長度正相關。當材料的斷裂韌性KⅠc>KⅠ時,裂紋處于穩定狀態,不會發生擴展。否則,裂紋將一直擴展直到結構破壞。基于BS7910的ECA安全評估,根據應用的數據量、保守程度可以分成1～3級,1級最低,3級最高。評估級別越高,需要的數據量越多,保守程度越低。

對含缺陷結構實際承受的載荷和缺陷所在位置、材料性能等進行分析,通過計算得到評定點橫坐標和縱坐標,確定該點在FAD圖中的位置。如果評定點位于坐標軸和FAD曲線所包圍的區域,該缺陷可接受,否則缺陷不可接受。典型的二級評定FAD曲線如圖3所示。

圖3 基于BS7910標準的工程臨界評估二級評定FAD曲線

然而,針對酸性介質腐蝕環境下的管線管焊接接頭的ECA評估,BS7910標準中沒有考慮,也沒有酸性環境服役性能和數據的輸入路徑。一般認為:應用酸性環境下得到的材料或結構斷裂韌性值作為輸入條件,即可認為考慮了酸性環境對接頭整體安全的影響。當前國內已經公開的報道中尚未發現酸性環境接頭斷裂韌性評價。DNVGL-RP-F108標準給出了酸性介質腐蝕環境下管線管焊接接頭ECA評估的應用準則,主要是針對ECA評估過程中最重要的輸入參量——材料或結構斷裂韌性,通過在酸性環境中進行試驗測試,反映出酸性環境中預制疲勞裂紋尖端H+聚集對后續加載斷裂過程的不利影響,并以此作為ECA評估的材料性能參量。該標準根據前期實踐經驗與JIP項目研究成果,對預制疲勞裂紋后的斷裂韌性試樣的浸泡試液pH值范圍、外部充入H2S分壓、溫度、裂紋以外的表面防護、應變加載速率等參數提出了指導建議,具有良好的可操作性。同時,對于應用于酸性腐蝕環境并且疲勞敏感的場合,提出了酸性環境疲勞裂紋擴展速率(FCGR)評價方法,并考慮了應力強度因子幅(ΔK)對裂紋擴展與鈍化閉合的影響、動載頻率對FCGR的影響、腐蝕介質與疲勞載荷的交互作用等,在這種條件下得到的FCGR值,可以作為后續酸性服役環境動載場合ECA評估的材料性能輸入參量。

5 技術展望

隨著石油天然氣資源開采速度的提高,今后將面臨更多存在腐蝕介質的油氣開采與輸送,所以,針對油氣輸送管道特別是環縫焊接接頭在酸性腐蝕介質中的安全與失效行為,需要開展持續系統研究,包括酸性服役環境下環焊接頭脆性斷裂、腐蝕疲勞以及SSCC、HIC交互作用的不利影響等,并結合實際的腐蝕介質特性,評估當前NACE標準溶液的合于使用性,從而能夠準確反映管線管實際的服役條件。結合大尺寸或整管試驗評估,針對SSCC、HIC以及疲勞與斷裂的交互作用,從電化學、斷裂力學、系統工程的角度進行全面解析,為提高今后油氣輸送管線系統整體安全、降低設計、施工和運營成本提供技術指導。