20G/316L双金属复合管失效的原因

陈 浩,顾元国,江胜飞

(1. 西南石油大学 机电工程学院，成都 610500; 2. 四川工商职业技术学院，成都 611837;3. 西南油气田公司蜀南气矿，泸州 646000)



20G/316L双金属复合管失效的原因

陈 浩1,顾元国2,江胜飞3

(1. 西南石油大学 机电工程学院，成都 610500; 2. 四川工商职业技术学院，成都 611837;3. 西南油气田公司蜀南气矿，泸州 646000)

为了探明在国内某气田使用的20G/316L双金属复合管出现失效的原因，通过对样品的失效形貌进行分析，结合有限元软件对焊接过程进行模拟，得知腐蚀严重的部位位于管道下部焊缝起弧点附近，主要腐蚀形式为点蚀，焊接应力对工件失效起到了促进和诱导的作用。研究表明，20G/316L双金属复合管的失效是焊接应力、腐蚀性介质Cl-和腐蚀原电池共同作用的结果。

双金属复合管；焊缝；失效；腐蚀；模拟

国内某大型凝析气田的采气管道和集输管道都使用碳钢材料，经过5 a多的生产运行，集输管线共出现腐蚀穿孔57次。分析发现气田存在凝析水、二氧化碳、高压、高温及高含Cl-等腐蚀因素，天然气中CO2含量约为0.6%(体积分数)，Cl-平均质量浓度为110～120 g/L。为了解决该凝析气田采气管道和集气管道的严重腐蚀问题，经过大量的分析对比，结合相关试验以及油田的实际腐蚀现状和产能规模，将该凝析气田的采气管道和集气管道部分更换为内衬为316L，基材为20G的双金属复合管。双金属复合管投用至今总体运行情况良好，在很大程度上遏制了该气田集输管道的失效问题，但也有部分管道出现失效，统计结果如表1所示。

表1　失效统计

从失效情况的统计结果可知，失效位置全部在焊缝部位，失效的复合管中使用时间最短的不到2 a，最长的为6 a，发生失效的双金属复合管都属于提前失效。

焊接接头是集输管道中最为薄弱的环节，目前国内外还没有针对双金属复合管接头焊缝失效分析的研究报道。

1　失效形貌

失效管件采用向上焊接技术加工而成，根据向上焊接技术原理[1]及试样宏观形貌，可以判断出焊缝起弧点和收弧点的位置,如图1所示。

图1　焊缝起弧点和收弧点整体位置Fig. 1　Overall positions of arc starting point and ending point of the weld

根据图2所示管道刺漏点整体形貌可得出以下几点：管道外表面焊缝处有一个较为明显的刺漏点；复合管内表面除焊缝外均较为光滑，无明显腐蚀痕迹。

由图3可见，基管腐蚀较为严重，管壁已被侵蚀掉大部分；腐蚀严重的基管内壁表现出溃疡状腐蚀深坑。焊缝内表面出现失效，在腐蚀性介质、焊接残余应力及焊缝组织等因素[2-3]的综合影响下，失效情况越来越严重，当焊缝表面被完全蚀穿以后，流体可以通过失效点与基管接触，在腐蚀性流体的长期侵蚀下,基管发生腐蚀穿孔。

(a)　外表面

(b)　内表面图2　失效管件宏观形貌Fig. 2　Macroscopic morphology of the outer wall (a) and inner wall (b) of the failure pipe

图3　刺漏点附近内壁形貌Fig. 3　The morphology of inner wall near the failure point

沿图3刺漏点剖开，管壁截面的腐蚀形貌如图4所示。观察发现，刺漏点附近腐蚀较为严重，基管已被腐蚀掉大部分，这与腐蚀性介质与基管的接触面积有关。腐蚀坑内存在大量的腐蚀产物，且腐蚀产物较为疏松。

图4　刺漏点附近管壁截面的腐蚀形貌Fig. 4　The corrosion morphology of the cross-section of the pipe wall near the failure point

2　焊接过程模拟

双金属复合管的连接多采用焊接方式完成，但由于双金属复合管的内衬与基管采用的材质差异较大，不同材质的热膨胀系数等物理性能差异也较大，在受热过程中材料的变形量就不同，这就导致了双金属复合管在焊缝位置会有较大的应力集中，为焊缝的腐蚀营造了条件。国内外有关双金属复合管失效的研究也证明，其失效位置多集中于焊缝周围。通过有限元技术对复合管对接焊接时的应力分布进行了数值仿真分析[4-5]。

由于模型的对称性，可采用1/2模型进行计算。通过插值法和外推法来确定模拟所需的材料的物理性能，采用单元内部生热作为焊接热源，模拟过程中使用单元生死技术来完成焊料的逐步填充。双金属复合管的焊接多采用多层多道焊，笔者将分3层焊接来完成模拟过程。

运用ANSYS的间接法(即先进行温度场分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在应力分析中)进行计算焊接过程的应力场。通过ANSYS中的通用后处理器，分别沿模型外表面和内表面垂直焊缝方向建立路径，以观察各节点在焊接完成后的残余应力情况。路径示意图见图5。

图5　路径示意图Fig. 5　Path schematic

由图6可知，管道焊缝内表面沿3个方向的最大应力均为拉应力，最大径向应力和最大环向应力都出现在焊缝中心点附近，最大轴向应力位于热影响区，热影响区的应力波动较大，最大残余应力出现在环向，为293.7 MPa，未达到材料的屈服极限。

由图7可知，沿路径的等效应力为拉应力，最大值为279 MPa，出现在焊缝区，焊缝中心点应力值稍小；在热影响区范围内，随着距焊缝中心距离的增加，等效应力值迅速减小到14 MPa左右，波动较大；之后应力值在轻微增大之后又逐渐减小，并逐渐稳定于一个很小的值。

计算结果显示，双金属复合管焊接残余应力均为拉应力，最大值出现在焊缝区。

3　失效原因分析

(1) 焊接应力和变形焊接残余应力是焊接过程中不可避免的，其产生是由于焊接过程中加热和冷却的不均匀性造成的，焊接残余应力的存在为焊缝发生应力腐蚀提供了条件[6]。应力模拟结果显示，焊后残余应力数值较大，尽管焊接残余应力没有达到焊缝金属的屈服极限，但较大的残余应力会降低材料的耐蚀性能，导致材料的腐蚀。

(2) 集输介质中含有腐蚀性介质Cl-，且含量达到了110～120 g/L大量研究显示，在不锈钢的腐蚀形式中，点蚀是最常发生的一种，而材料的耐点蚀性能也一直是不锈钢焊缝金属耐腐蚀性能研究工作中的重点内容，而Cl-是最典型的不锈钢点蚀的诱发因素[7-8]。

(a)　径向

(b)　环向

(c)　轴向图6　沿路径3个方向上的残余应力分布Fig. 6　Residual stress distribution along the path in radial direction (a), circumferential direction (b) and axial direction (c)

图7　沿路径焊缝等效应力分布Fig. 7　Equivalent stress distribution of the weld along the path

Cl-是引起不锈钢焊缝金属点蚀和应力腐蚀的主要因素，在多种因素的作用下，Cl-将很快引发该部位的点腐蚀、应力腐蚀及缝隙腐蚀，当介质与基管和焊缝接触后还会引发电偶腐蚀。Cl-是点蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀中腐蚀电池及闭塞电池形成所需的必要条件。研究显示，介质中Cl-质量浓度在100 μg/L时就可导致不锈钢的点腐蚀。

失效现场采用油气集输工艺，液体的存在为Cl-在底部的聚集创造了条件。由分析可知，刺漏点均位焊缝的起弧点附近，由焊接工艺原理可知，此管道焊接接头的起弧点位于管道的下部，Cl-在管道底部的聚集又为该部位的失效创造了条件。

(3) 异材焊缝的原电池腐蚀作用不同的金属材料接触在一起，又在腐蚀介质中，一部分电极电位低的材料为阳极，会产生腐蚀溶解。

4　结论

由于焊接结构的特殊性，焊接残余应力是不可避免的因素，在高含CO2和Cl-、高温、高压的腐蚀环境下，随着管道运行时间的增加，焊缝基体在Cl-的作用下就会发生点腐蚀，随着点腐蚀的深入，引发应力腐蚀，产生应力腐蚀裂纹，随着腐蚀的加剧最终导致了焊缝的失效。焊接过程中的偶然因素(焊接缺陷)也会造成应力集中，促进焊缝的失效，同时为点腐蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀的发生创造了条件；而集输介质中含有液体、Cl-在管道底部起弧点附近聚集，加剧了焊缝的点腐蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀，内层焊缝蚀穿以后，由于焊缝与碳钢的电极电位不同，流体与基管和焊缝接触后形成电偶腐蚀形态，加速了管道的失效，直至刺漏。

[1]李颂宏. 实用长输管道焊接技术[M]. 北京:化学工业出版社,2009:85-107.

[2]陈匡民. 过程装备腐蚀与防护[M]. 北京:化学工业出版社,2001:53-55.

[3]顾宝珊,纪晓春,刘建华. 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂[J]. 石油化工腐蚀与防护,2005,2(6):41-44.

[4]ANSYS Inc ANSYS advanced analysis procedures guide[Z]. Twelfth Edition. USA:SAS IP Inc,2001.

[5]李良碧,潘广善,万正权,等. 高强钢锥柱结合壳焊接残余应力的数值模拟和试验研究[J]. 船舶力学,2010,14(10):1143-1150.

[6]田锡唐. 焊接结构[M]. 北京:机械工业出版社,1981:1-61.

[7]BERTOCCI U,KRUHER J. Studies of passive film breakdown by detection and analysis of electrochemical noise[J]. Science,1980,101:608.

[8]王荣光,魏云,张清廉. 奥氏体不锈钢SUS316及SUS316L在含Cl-的饱和H2S水溶液中的应力腐蚀行为研究[J]. 中国腐蚀与防护学报,2000,20(1):47-53.

Failure Reasons for 20G/316L Double Metal Composite Pipe

CHEN Hao1, GU Yuan-guo2, JIANG Sheng-fei3

(1. School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China；2. Sichuan Technology & Business College, Chengdu 611837, China；3. Shu′nan Gas Mine, Southwest Oil & Gas Field Company, Luzhou 646000, China)

In order to ascertain the failure reasons for the 20G/316L bimetallic composite pipe used in a domestic gas field, the failure morphology of the samples was analyzed and the welding process was simulated with ANSYS. It was found that the lower part of the pipe near the starting point of the weld was seriously corroded, and pitting was the main corrosion form, and the welding stress played a significant role in promoting and inducing the failure. The failure reasons of 20G/316L bimetallic composite pipe were welding stress, Cl-and galvanic corrosion.

double metal composite pipe; weld; failure; corrosion; simulation

2014-11-18

江胜飞(1987-),助理工程师,硕士,从事技术管理工作,13438829447,jiang.shengfei@163.com

失效分析

10.11973/fsyfh-201512019

TG174

A

1005-748X(2015)12-1194-04