浅析酸气管道焊缝横向裂纹的产生原因及检出方法

肖金品，刘 毅

（江汉石油管理局江汉检测公司，潜江 433123）

1 泄漏事件概述

普光气田主体开发地面集输工程输送介质为未经净化处理的高含硫气体（简称酸气），其中硫化氢含量达12.31%～17.05%，其浓度为迄今为止国内同类管道中最高。工程于2008年12月启动，2009年10月投入试运行，2009年10月12日集气末站外输汇管发生安全阀起跳事故，随后集气末站外输汇管筒体纵缝外表面出现长约30mm的横向裂纹，发生泄漏，被迫停车。

2 裂纹产生原因分析

此次外输汇管泄漏由筒体纵缝外表面出现的横向裂纹产生，分析裂纹产生原因有助于采取针对性的无损检测方法检出裂纹，进而采取相应的整改措施，防止泄漏事故的发生，确保管道工程的安全可靠运行。

2.1 泄漏汇管技术参数

发生泄漏的集气末站汇管由马来西亚某公司生产，设计规范采用ASME SectionⅧ，DIV 12007版，其基本参数为：工作压力10.98MPa，工作温度60℃，材质SA516－70N（相当于国内16MnR）。

2.2 原料气组分

原料气组分为 He 0.012mol%，H20.028mol%，N20.52mol%，CO28.64mol%，H2S 15.16mol%，CH475.52mol%，C2H60.12mol%。

2.3 横向裂纹产生原因分析

焊缝裂纹一般产生于两个阶段，即制造过程和使用过程。

2.3.1 制造过程

事故发生后，中原油田普光分公司立即组织有关专家对汇管制造商的相关制造资料进行了审查。发现制造商的整个制造工艺非常规范，并且整个制造过程有国内公司的监造，因此在制造过程中产生裂纹的可能性可以排除。

2.3.2 使用过程产生

通常含硫介质管道（包括容器）在使用过程中容易产生应力腐蚀裂纹，其多发生在焊缝及热影响区，方向多为横向（垂直于焊缝）。产生应力腐蚀裂纹的机理如下：

（1）硫化物应力腐蚀开裂（SSC） 硫化物应力腐蚀开裂是金属在拉应力和有水及硫化氢存在的腐蚀共同作用下的开裂。SSC的敏感性与钢中的渗氢量有关，这主要取决于两个环境参数：水的pH值和H2S含量。SSC敏感性随H2S的含量增加而增加。SSC敏感性还与两个材料参数有关，即硬度和应力。用于湿H2S环境中的碳钢基金属压力容器和管道由于具有足够的强度（硬度），通常SSC影响较小，但是其焊缝和热影响区可能包含焊接引起的高硬度和高残余应力区，较高的残余拉伸应力与焊缝结合增加了SSC的敏感性。

（2）硫化氢中氢诱导开裂（HIC）和应力指向氢诱导开裂（SOHHC－H2S） 氢诱导开裂是金属中或金属表面不同平面上的邻近氢鼓泡的阶梯状内部裂纹。开裂的动力是氢鼓泡内部压力的累积引起的氢鼓泡周围的高应力。应力指向氢诱导开裂（SOHIC）是大量小氢诱导裂纹组合的鼓泡的堆积，这些氢诱导裂纹由较高的局部拉应力作用在钢板厚度方向上的排列而引起。SOHIC经常出现在焊缝热影响区，由于工作应力（来自内部的压力）和焊接残余应力的累加影响使得这里的应力最大。

从上述硫化物应力腐蚀裂纹产生的机理可以看出，硫化氢、水气、应力（工作应力和焊接过程中的残余应力）、钢材高强度和高硬度这些因素的共同影响导致了应力腐蚀裂纹的发生，而其中硫化氢、水气、应力是其中三个最为主要的影响因素。

普光气田地面集输管道工程运行介质为硫化氢含量很高的湿酸气，而管道运行过程中工作应力和焊接残余应力、钢材本身的高强度和高硬度以及焊接缺陷这些因素同时存在，它们都是诱导硫化物应力腐蚀裂纹产生的因素。

3 常规NDT方法对裂纹的检出情况分析

管道焊口检测常用的无损检测方法有射线检测、超声波检测、磁粉检测和渗透检测，不同的检测方法对不同类型缺陷的检出情况并不相同。

3.1 射线检测

射线检测的原理是基于射线通过密度不同的物质时，由于强度衰减不同，在底片上形成黑度差，使得缺陷影像在底片上得以显现。射线检测通常对体积状缺陷（气孔、夹渣）检出率较高，这是由于气孔、夹渣的密度与钢的密度相差较大，在底片上容易形成黑度差而得以显示。对面状缺陷（裂纹、未熔合、未焊透），其检出率受到下列因素影响：

（1）射线透照角度 当射线透照方向与面状缺陷的方向一致时可获得较高的检出率。随着透照角度的加大，面状缺陷的检出率急剧下降。对横向裂纹而言，其检出率受透照方向的影响会更大。

（2）灵敏度 射线检测对裂纹的检出率还受到灵敏度限制，工件厚度越大，灵敏度越低。

发生泄漏的汇管厚度为40mm，射线检测可以发现的是＞0.5mm的缺陷，而应力腐蚀裂纹在扩展开裂初期其宽度通常都在0.1mm左右，即使射线透照方向与裂纹方向一致也有漏检的可能性。

3.2 超声波检测

超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。

由于超声波检测是利用超声波在缺陷界面的反射来对缺陷进行识别，因而缺陷的性质、位置、取向和形状对检测结果有较大影响。对面状缺陷而言，超声波在缺陷处的反射类似于镜面反射，可获得较高反射回波。特别是对裂纹缺陷，由于裂纹中通常只有空气，超声波在裂纹界面上有很高的反射率，因而超声波检测对裂纹缺陷检出率很高。

对焊缝进行超声波检测时，要求探头与工件接触良好，否则会影响检出率。进行横向裂纹的检测时，还应将焊缝余高打磨平整，以保证探头在焊缝表面移动时探头与接触面的良好接触。

3.3 磁粉检测

磁粉检测是通过对被检工件施加磁场使其磁化，在工件的表面和近表面缺陷处将有磁力线逸出工件表面而形成漏磁场，通过漏磁场吸附施加在工件表面上的磁粉形成磁痕，从而显示出缺陷的存在。

现有磁粉检测技术基本只能检测工件表面或近表面裂纹，对埋深＞2mm的裂纹，使用磁粉检测技术将无法检出。

3.4 渗透检测

渗透检测是基于毛细现象揭示非多孔性固体材料表面开口缺陷，其方法是将液体渗透液渗入工件表面开口缺陷中，再用显像剂显示出缺陷。

渗透检测对表面开口缺陷有很好的检出率，但对非开口缺陷，使用渗透检测技术将无法检出。

4 不同NDT方法对汇管横向裂纹的检出情况

4.1 对裂纹检出情况的比较

泄漏事故发生后，我公司受中原油田普光分公司委托，对集气末站发生泄漏的外输汇管和未泄漏的生产汇管焊缝采用射线检测、超声波检测进行复查，胜利海检中心采用磁粉检测、渗透检测进行复查。使用不同检测技术对生产汇管A8纵缝裂纹的检出情况对比见表1。

表1 采用不同无损检测方法对横向裂纹的检出情况对比

4.2 对焊缝余高打磨前和打磨后裂纹检出情况的比较

（1）对集气站汇管的超声波检测是在未对焊缝余高进行打磨的情况下进行的。根据普光分公司要求，我公司还对 P301，P302，P303，P101，P103五个站场的汇管进行了射线和超声波抽检。进行超声波检测前，曾要求对焊缝余高进行打磨，但普光分公司考虑到未得到马来西亚厂家的许可，未采纳要求。射线检测和超声波检测均未发现裂纹。

（2）应普光分公司要求，合肥通用机械研究院和机械工业兰州石油钻采炼油化工设备质量研究所对普光气田主体开发地面集输工程中所有站场的汇管进行安全等级评定。期间两家单位对汇管焊缝进行了超声波检测，超声波检测前对汇管焊缝余高进行了打磨。在我公司已进行过超声波检测的五个站场汇管焊缝上检测出40余条长度＜10mm的横向裂纹，深度基本都在20～30mm之间。我公司又对上述五个站场的汇管焊缝进行了射线检测和超声波检测复查。进行射线检测复查时，未发现横向裂纹显示；进行超声波检测复查时（使用的超声波仪器、探头与检测余高打磨前汇管焊缝所使用的超声波仪器、探头相同），得到了与两家进行安全等级评定单位基本一致的超声波检测结果。从以上进行的各项检测情况可以得出结论如下：① 用超声波对焊缝中横向裂纹进行检测可获得较高的检出率；采用射线检测只能检出长度较长的横向裂纹；而磁粉或渗透检测对埋藏较深的裂纹无法检出。② 对焊缝横向裂纹进行超声波检测时，检测前应对焊缝余高进行打磨。焊缝余高的存在将直接影响横向裂纹的检出率。

5 结论

（1）酸气管道在使用过程由于受到水气、应力及其它一些因素的共同影响会产生应力腐蚀裂纹，应力腐蚀裂纹通常长度较小且垂直于焊缝方向。针对应力腐蚀裂纹使用超声波检测技术是最佳的检测方法。

（2）采用超声波对焊缝中的横向裂纹进行检测时须将焊缝余高打磨至与母材平齐，否则会造成对细小横向裂纹的漏检。

（3）为保证检出率，使用超声波检测时还应使用两种或两种以上K值的探头（其中一种须为K1探头）。

［1］JB／T 4730—2005 承压设备无损检测［S］.

［2］王晓雷.承压类特种设备无损检测相关知识［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2007.