某氣田埋地管線不銹鋼直角彎頭開裂原因

李仕力,羅艷龍,林 楠,王海濤

(中國特種設備檢測研究院,北京 100013)

近年來,隨著酸性油氣田不斷被大量開采,天然氣埋地集輸管道內腐蝕問題越來越嚴峻。彎頭、三通、法蘭盤和變徑接頭等作為集輸管道系統中重要的管路接點,其介質流場、溫度、壓力、架構應力、熱應力、組織和殘余應力等因素均容易引起管道的腐蝕失效問題,從而造成安全事故[1-3]。奧氏體不銹鋼具有優良的力學性能、耐蝕性和焊接性能,被廣泛用于石油化工領域,尤其是存在嚴重腐蝕問題的集輸管道系統[4-5]。

然而,奧氏體不銹鋼的腐蝕失效問題仍無法避免。除了全面腐蝕等一般的失效形式外,應力腐蝕開裂(SCC)是奧氏體不銹鋼最常見的失效模式之一。材料的應力腐蝕開裂往往是在拉應力和腐蝕介質的共同作用下引起的[6-9],集輸管道系統中Cl-,CO2和H2S含量均較高,極易引起管道的應力腐蝕開裂[10-15]。在實際生產中,直角彎頭鍛件往往存在較高的加工殘余應力和焊接殘余應力,這會使其發生嚴重的腐蝕開裂問題。

某氣田集氣站進站閥組進站至加熱爐埋地管線的直角彎頭發生開裂,當天運行壓力為20.5 MPa。該管線全長0.81 km,公稱直徑為89 mm,壁厚為13 mm,管道材料為20號鋼,設計壓力為30 MPa,設計溫度為20 ℃。如圖1所示,直角彎頭為不銹鋼鍛件,材料 為00Cr17Ni14Mo2 鋼(即316L 不 銹鋼)。

圖1 開裂直角彎頭的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked right angle elbow

為明確直角彎頭的開裂原因,本工作對該開裂直角彎頭進行了一系列的理化檢驗,以期避免該類問題的再次發生。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀觀察

分別對直角彎頭內、外表面進行滲透檢測,以確定裂紋位置。如圖2所示,直角彎頭內、外表面均有裂紋,外表面裂紋位于彎頭直角端面,內表面裂紋位于直角彎頭兩個孔道的交匯線處。

圖2 開裂直角彎頭內、外表面的滲透檢測結果Fig.2 Penetrant testing results of outer surface (a)and inner surface (b) of cracked right angle elbow

1.2 化學成分和服役環境分析

在開裂直角彎頭上截取試樣,采用直讀光譜儀分析其化學成分,結果見表1,該直角彎頭的化學成分符合316L不銹鋼的成分要求。

表1 開裂直角彎頭的化學成分Tab.1 Chemical composition of failed elbow %

對管道內的輸送介質組分進行分析,結果見表2,二氧化碳質量分數為4.39%,直角彎頭內表面未見CO2腐蝕形貌。管道敷設土壤的理化分析結果見表3,其pH 為7。

表2 輸送介質組分的檢測結果Tab.2 Test results of conveying medium components

表3 敷設土壤的主要離子含量及理化參數Tab.3 Main ion content and physical and chemical parameters of laying soil mg/L

1.3 金相檢驗

在直角彎頭外表面裂紋中部截取試樣,觀察其外表面和截面裂紋的微觀形貌。由圖3可見:直角彎頭共有一條裂紋,裂紋貫穿整個管壁;裂紋萌生于直角彎頭外表面,并逐漸向內表面擴展;由外表面至內表面,裂紋寬度逐漸變窄;在裂紋向內表面擴展過程中產生許多分支裂紋;外表面裂紋整體呈樹枝狀形貌,為典型的應力腐蝕裂紋的形貌特征[16-19]。

圖3 開裂直角彎頭外表面和截面裂紋的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of cracks on outer surface (a) and cross-section (b) of cracked right angle elbow

由圖4可見:開裂直角彎頭基體組織為等軸奧氏體;外表面和截面裂紋均沿晶粒內部擴展,呈典型的穿晶斷裂形貌;截面裂紋內有深灰色物質。由圖5可見,在靠近直角彎頭內表面1/3厚度處,裂紋分布不規則,多處產生分支裂紋,且相互交叉,裂紋附近組織存在很多與裂紋擴展方向近似平行的塑性變形形貌,該形貌的出現一般與鍛件中的夾雜物有關[20]。綜上所述可知,直角彎頭的鍛造殘余應力可的腐蝕產物中含有氯元素,表明直角彎頭的開裂形能是造成其開裂的主要原因。

圖4 開裂直角彎頭外表面和截面裂紋末端的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of cracks on outer surface(a) and cross-section (b) end of cracked right angle elbow

圖5 靠近直角彎頭內表面1/3厚度處裂紋的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of crack near 1/3 thickness of inner surface of right angle elbow

1.4 掃描電鏡及能譜分析

由圖6可見:裂紋內的物質有兩種,一種呈斷續分布的不規則塊狀,在掃描電鏡下顏色較亮,另一種呈灰黑色,在掃描電鏡下顏色較暗;亮色塊狀物質的主要成分為氧化鋁,不是腐蝕產物,而是直角彎頭內部的夾雜物;灰黑色物質中的氯和硫元素含量較高,還含有少量的鈣和硅等元素,可推斷該物質為腐蝕產物。

圖6 直角彎頭截面裂紋內亮色塊狀物和灰黑色腐蝕產物的SEM 形貌和EDS譜Fig.6 SEM morphology and EDS spectrum of bright colored lumps (a,b) and gray-black corrosion products (c,d)in the cracks of right angle elbow cross-section

金屬鋁作為一種深脫氧劑已在轉爐或電爐冶煉出鋼過程中普遍使用,在鋼的冶煉過程中,鋁會與空氣中的氧結合生成氧化鋁,冶煉過程中夾雜物上浮不徹底會殘留在鋼中,從而形成氧化鋁夾雜物。氧化鋁具有較高的熔點和硬脆性[21-23],其力學性能與直角彎頭基體相差很大,直角彎頭鍛件中的夾雜物會破壞基體力學性能的連續性,在直角彎頭鍛壓過程中,夾雜物可能被延展成長而薄的流線狀,形成如圖5所示的帶狀組織,造成應力集中,從而產生裂紋,裂紋易沿著夾雜物進行擴展。

管道敷設土壤的pH 為7,氯離子含量達到1 094.5 mg/L,裂紋貫穿整個彎頭管壁,裂紋整體呈樹枝狀形貌,且裂紋主要沿晶粒內部擴展,裂紋內式為典型的氯離子應力腐蝕開裂。裂紋內有大量氧化鋁夾雜物,其附近存在帶狀組織,主要原因是在直角彎頭鍛壓過程中,鍛件中的氧化鋁夾雜物與基體之間產生不協調變形,形成了帶狀組織。在含氯離子的環境中,直角彎頭內部帶狀組織處易產生應力集中,從而形成裂紋,裂紋沿著夾雜物進行擴展,貫穿整個彎頭管壁,最終造成直角彎頭發生開裂。

2 結論

(1) 直角彎頭的開裂形式是氯離子應力腐蝕開裂。

(2) 在直角彎頭鍛壓過程中,鍛件中的氧化鋁夾雜物與基體之間產生不協調變形,形成帶狀組織,產生應力集中,在含氯離子的環境中,該處形成應力腐蝕裂紋,裂紋沿著夾雜物逐漸擴展,貫穿整個彎頭管壁,最終造成直角彎頭發生開裂。