天然氣集氣站的主要功能是從多個(gè)氣井中收集天然氣,通過(guò)一系列的處理過(guò)程,如加熱、節(jié)流(減壓)、分離(去除雜質(zhì))、增壓、脫水(去除水分)和計(jì)量等,以確保氣體達(dá)到規(guī)定的壓力和溫度標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)這些步驟處理過(guò)的天然氣可以被輸送至下游的天然氣加工廠或者直接輸入城市供氣網(wǎng)絡(luò),以滿足工業(yè)和居民用氣的需求。由于經(jīng)常使用焊接工藝對(duì)天然氣集氣站外輸匯管進(jìn)行管道連接,而焊接是一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程,故在焊縫和熱影響區(qū)容易發(fā)生組織不均勻、力學(xué)性能不均勻等現(xiàn)象,并產(chǎn)生焊接缺陷。 

集氣站外輸匯管的焊接接頭部位具有較高的焊接殘余應(yīng)力,因此該管道很容易發(fā)生事故。研究表明,大口徑管道的所有事故中由焊縫缺陷導(dǎo)致的故障占比為70%[1]。某氣田集氣站外輸匯管的材料為SA234 WPB,規(guī)格為1 000 mm×40 mm(公稱直徑×壁厚),設(shè)計(jì)溫度為60 ℃,操作溫度為40 ℃,設(shè)計(jì)壓力為9.5 MPa,操作壓力為8.5 MPa,介質(zhì)為酸性天然氣,酸性天然氣中含有體積分?jǐn)?shù)為8%～9%的CO2和13%～15%的H2S。該管道在投入運(yùn)行僅1個(gè)月后就發(fā)生泄漏現(xiàn)象。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、滲透檢測(cè)、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法分析管道泄漏的原因,以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),匯管外表面防腐層完好,無(wú)明顯壁厚減薄和局部腐蝕痕跡。截取的泄漏管段宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：管道內(nèi)表面防腐層局部脫落,脫落區(qū)域呈層片狀和鼓泡狀形貌；焊縫內(nèi)、外表面成形較好,無(wú)明顯內(nèi)凹、缺失等表面缺陷；但縱焊縫上有多條表面橫向裂紋,有兩條橫向裂紋貫穿縱焊縫?？v焊縫上貫穿橫向裂紋宏觀形貌如圖2所示。 

圖  1  泄漏管段宏觀形貌

圖  2  縱焊縫上貫穿橫向裂紋宏觀形貌

1.2   滲透檢測(cè)

依據(jù)NB/T 47013.5—2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》的要求,利用滲透劑、乳化劑、清洗劑和顯像劑對(duì)匯管進(jìn)行滲透檢測(cè),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：匯管表面存在多條橫向裂紋,裂紋較平直,無(wú)明顯塑性變形,斷口呈脆性斷裂特征。 

圖  3  焊縫滲透檢測(cè)結(jié)果

1.3   化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,分別對(duì)匯管母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：母材的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。焊縫化學(xué)成分中的Mn元素含量超出了要求,同時(shí)焊縫中的Si元素含量要大于母材。 

隨著Mn元素含量的增大,材料的熱導(dǎo)率急劇減小,線膨脹系數(shù)增大,在快速加熱或冷卻時(shí),材料內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力,開裂傾向性增大,淬透性增強(qiáng),馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低,對(duì)焊接性能有不利影響；同時(shí)Mn元素可以細(xì)化珠光體,使鋼材的強(qiáng)度增大,延展性降低[2]。而Si元素含量的增大會(huì)降低鋼材的塑性和沖擊韌性,減弱鋼材的抗銹蝕能力和焊接性能[3]。 

1.4   力學(xué)性能測(cè)試

按GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的要求,對(duì)泄漏匯管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知：匯管母材的力學(xué)性能符合相關(guān)要求,焊縫的抗拉強(qiáng)度超出了相關(guān)要求的上限,母材的沖擊吸收能量高于焊縫。 

根據(jù)GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)泄漏匯管的硬度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表3所示。由表3可知：焊縫的硬度超出了規(guī)定的上限,同時(shí)焊縫和熱影響區(qū)的硬度高于母材。 

Mn、Si元素含量的增大會(huì)影響材料的力學(xué)性能,使其抗拉強(qiáng)度和硬度增大,沖擊韌性降低,跟化學(xué)成分分析結(jié)果相對(duì)應(yīng),硬度與材料的應(yīng)力有密切關(guān)系,通常應(yīng)力越大,硬度越高,可間接反映該匯管焊縫以及熱影響區(qū)存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。 

1.5   金相檢驗(yàn)

分別在母材、熱影響區(qū)及焊縫的位置截取試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：母材的顯微組織為鐵素體＋珠光體,其中珠光體含量少,且沿鐵素體晶界分布,組織細(xì)小,具有較高的強(qiáng)度和塑性；熱影響區(qū)的顯微組織為板條狀馬氏體、針狀鐵素體和貝氏體的混合組織,晶粒較為粗大；焊縫的組織為塊狀鐵素體、先共析鐵素體和珠光體的混合組織,相對(duì)于母材,焊縫局部組織比較粗大。焊縫和熱影響區(qū)的局部組織粗大并存在板條狀馬氏體,為裂紋的形成和擴(kuò)展提供了條件。 

圖  4  匯管的顯微組織形

根據(jù)裂紋分布形態(tài),分別對(duì)表面裂紋及埋藏裂紋的微觀形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裂紋在焊縫位置,分布范圍較寬,裂紋由多裂源形成微裂紋串集,帶枝杈和擴(kuò)展臺(tái)階,呈沿晶和穿晶混合開裂形貌特征,表面裂紋內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物,呈典型的延遲裂紋形態(tài)。 

圖  5  表面裂紋和埋藏裂紋微觀形貌

1.6   掃描電鏡和能譜分析

分別沿著表面裂紋和埋藏裂紋打開管道,以裂紋面為檢驗(yàn)面。表面裂紋和埋藏裂紋斷面均有明顯的方向性,呈柱狀晶結(jié)晶形態(tài),無(wú)明顯塑性變形,無(wú)壁厚減薄,呈脆性斷裂特征。表面裂紋橫向貫穿焊縫,止裂于焊縫熔合區(qū),斷口較為平齊,無(wú)金屬光澤,表面為黑色,清洗后表面為灰色并無(wú)光澤,斷口表面覆蓋一層致密的腐蝕產(chǎn)物。埋藏裂紋也為環(huán)向裂紋,位于焊縫中間,斷口表面具有金屬光澤,為銀亮色。 

在管道上埋藏裂紋處截取試樣,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：埋藏裂紋斷口斷面有河流花樣,呈柱狀晶結(jié)晶形態(tài)[見圖6a)]；在裂紋尖端及靠近內(nèi)表面位置,斷口呈多源啟裂特征[見圖6b)]；啟裂區(qū)有圓形和橢圓形銀白色斑點(diǎn),白色斑點(diǎn)附近沒有塑性變形痕跡,圓斑區(qū)顯示有從中心向四周的放射線結(jié)構(gòu),為準(zhǔn)解理形貌,在斷口上存在顯微孔洞、發(fā)紋和二次裂紋,兩個(gè)裂紋源的交界面存在撕裂棱,為韌窩斷口,韌窩是由孔洞形核、長(zhǎng)大和連接形成的,韌窩之間分布著大量細(xì)小的二次裂紋[見圖6c)、6d)]。裂紋斷口呈典型的氫脆微觀斷口形貌特征。 

圖  6  埋藏裂紋試樣SEM形貌

對(duì)斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：斷口表面含有氧、鎂、硅、磷、硫、鈣和鐵等元素,其中硫元素含量較高,說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物為硫化物,腐蝕介質(zhì)進(jìn)入裂紋內(nèi)部與金屬反應(yīng),形成硫化物,附著在斷口表面。 

圖  7  斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置及能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：匯管母材的化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織均符合相關(guān)要求；焊縫化學(xué)成分中Mn、Si元素含量偏高,導(dǎo)致焊縫處材料的拉伸性能和硬度大于母材,焊縫處顯微組織為板條狀馬氏體,與硬度測(cè)試結(jié)果吻合；斷口呈沿晶和穿晶混合開裂形貌特征,表面存在明顯的雞爪紋,具有氫脆斷裂的典型特征。 

氫脆是在焊接過(guò)程中,氫進(jìn)入鋼中的顯微缺陷內(nèi)[4],聚合成分子氫,當(dāng)氫富集到足夠的程度,會(huì)引起金屬脆化、空腔表面能減小,以及空腔內(nèi)壓力增大,使顯微缺陷擴(kuò)張成裂口而形成裂紋源。由于氫的擴(kuò)散,另一應(yīng)力集中源形成新的裂口并擴(kuò)展,兩個(gè)裂紋源串集連成裂紋。這些裂紋源通常不能準(zhǔn)確地首尾相接,所以常常帶有枝叉,并且裂紋的擴(kuò)展也是不連續(xù)的,由許多細(xì)小的微裂紋各自長(zhǎng)大并連接。 

氫脆的發(fā)生需要?dú)涓患?由于匯管中介質(zhì)為酸性天然氣,其中有較高含量的H2S。同時(shí)在焊接過(guò)程中,高溫電弧的作用將水分解成氫和氧。氫以離子狀態(tài)存在,被液態(tài)金屬大量吸收,隨著焊縫金屬的冷卻,會(huì)析出氫,當(dāng)冷卻速率較大時(shí),氫將以過(guò)飽和的形式存在于焊縫金屬中。在焊縫金屬中不可避免地存在大量晶體缺陷,如空穴、點(diǎn)陣空位、位錯(cuò)和非金屬夾雜等,為氫離子的擴(kuò)散和富集提供場(chǎng)所[5]。 

焊接接頭處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),是由熱應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力與約束應(yīng)力綜合疊加構(gòu)成的。在焊接條件下,局部快速的加熱與冷卻導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度場(chǎng),引起不均勻的熱應(yīng)變,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力[6]。同時(shí),在熱循環(huán)作用下,各區(qū)域的奧氏體化狀態(tài)不同,引起不均勻的組織轉(zhuǎn)變,各微區(qū)域不能相互協(xié)調(diào)膨脹,從而產(chǎn)生了相變應(yīng)力。由于焊接接頭的剛性約束,焊接接頭金屬冷卻收縮受到限制,產(chǎn)生了約束應(yīng)力。 

焊縫金屬快速冷卻,使焊縫中形成馬氏體和貝氏體,而馬氏體和貝氏體對(duì)裂紋較為敏感[7]。 

3.   結(jié)論與建議

匯管泄漏的主要原因是焊接工藝不當(dāng),焊縫中的馬氏體和貝氏體為焊縫開裂提供了條件。建議改進(jìn)焊接工藝,用焊后熱處理方式減小殘余應(yīng)力,或者在焊接前采取預(yù)熱的方式將氫釋放出來(lái),也可在管道內(nèi)部施加涂層、堆焊不銹鋼或設(shè)置其他保護(hù)襯里,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

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