天然气管道沿螺旋焊缝的失效分析

谢晨光

摘要：本篇文章结合对运输湿酸性天然气管道失效区域的外观检测、始终状况、理化试验、微观观察、力学性能测试、断面剖析及腐蚀部位的产物检测、无损检验等的结果对管道沿螺旋焊缝失效的问题进行了探究与分析，最终得出因为腐蚀程度较高致使的局部应力改变和管材材料性能的改变共同使得失效及破裂问题的发生。

关键词：天然气管道；螺旋焊缝、失效检验；腐蚀

一、项目调查检验情况及分析

作为研究对象的天然气输送管道被设计为承受压力7.34兆帕，工作温度上限是一百摄氏度，输送气体中硫化氢的最大含量不超过百分之二，正常运输压力为5.79兆帕，温度介于三十至四十度之间[1]。该运输管道使用了API 5L Gr.X52螺旋缝埋孤焊钢管，其管径为四百五十七点二毫米，钢管的管壁厚度是十点三一毫米，钢管外表层使用了工厂预制的防腐层而内部没有涂层，其在焊接作业时接头处的防腐处理使用了热收缩套[2]。为探析管道失效的具体原因，将设定一系列的实验对管道进行综合性的检验和分析，以期能为该管道日后继续工作提供一些补救的办法[3]。

（一）外观及使用情况调查

1.外观情况

根据管道样品的收货情况可以看出，管道样品部位包括一个环向的焊缝和发生失效的区域。管材外表面被腐蚀的情况很低，可以根据图一看出，管材的外侧几乎不存在金属腐蚀的情况，从图二可以观察出，样本内部被严重腐蚀了，腐蚀区域占到了管道内部约四分之一的区域，根据管材的具体参数可以计算出壁厚被腐蚀的位置达到了百分之三十。从图一中也可以看到样本中包含一个全壁厚裂纹形式的失效，可以预判螺旋焊缝的热影响区以及金属区域延伸达五百毫米，这也意味着裂纹的位置处于管道内部。

2.使用情况

管道外部使用了防腐处理并且连通阴极进行保护操作，在该管道被挖出的部位记录现实外部防腐层性质保持较好，没有外部腐蚀情况出现。结合管道内的水含有亚铁离子就及考虑硫化氢的浓度，内部pH值使得管道内部环境处于高烈度区域。

（二）检验情况

1.管材及焊缝检验分析

通过光谱分析的结果可以知道运输管道的管材及焊缝金属的提取样本都符合相关标准及酸碱服役环境的标准。

2.金相检验结果

从微观组织观察可以看出，运输管道的围观组成是细晶粒铁素体，且其夹杂物满足各向同性，这恰与钢中含有较低的硫及钙元素相符合。此外在泄漏位置的围观观察还可以看出开裂由母材引起，而后延伸到外焊缝的热影响区域，最终导致开裂位置。

3.拉伸及冲击检验

此试验运用圆棒拉伸试样，过程包括母材及失效部位螺旋焊缝的拉伸式样。拉伸试样的结果显示天然气运输钢管符合相关标准规定的屈服强度及抗拉程度规定。对于焊缝位置则进行了V型口缺口冲击试验，结果显示管材符合有关的材料标准。

4.硬度检验

在焊缝的不同的位置进行了维氏硬度测试，具体的测试区域包含了焊缝的金属材料、热影响区域以及管材。硬度测试的结果显示这些区域的硬度值均低于HV10250，尤其是在螺旋焊缝的热影响位置，其硬度仅有HV10到HV10168左右，这表明螺旋焊缝及环向的焊缝均会因为硫化物增加开裂的可能性。

5.断面检验

将样本进行清晰后对断裂尖端观察，从其断面可以看出部分比较有光泽的部位已经失去了大大部分的腐蚀生产物，故对这一部位进行显微断面观察。根据断面的电子形貌图像可以看出腐蚀生成物的位置较暗，而有光泽部位的金属位置比较亮，从大面积暗区域可以判断此样本已被严重腐蚀。

6.腐蚀生成物提取与分析

提取腐蚀生成物的样本后使用能散X射线法对其分析，对其化合物成分做出判定。根据检测结果可以知道腐蚀生成物的主要元素包含铁、硫、氧、碳，这就表明了腐蚀生成物为一定含量的硫化铁、四氧化三铁和碳酸铁等化合物。

（三）无损检验及其结果分析

对被腐蚀的样本采用磁粉探伤及射线照相探伤，根据检测结果可以看出母材的外侧环向焊缝仅有微小的腐蚀情况，在螺旋焊缝内侧焊趾区域即失效区域紧邻的焊缝已存在微小的腐蚀情况。

（四）残余应力检测

从外表面面的测试得到了残余应力于水平方向是拉伸应力，竖直方向是压缩应力，水平方向上最大值是八十兆帕，垂直方向上最大压缩应力是负的二百四十兆帕。内侧表面的位置水平及竖直方向上分别是三百八十兆帕和一百七十兆帕，这也说明了开裂从钢管的内侧向外侧延伸的情况。

二、失效原因探讨及分析

根据管道综合检验测试的结果对管道失效的原因进行探究：

（一）材料方面

管道与焊缝无论是在化学分析、强度测试、冲击韧性以及硬度测试中都符合酸性服役条件订货钢管的制定标准，没有检测到因为管材以及焊缝材料方面致使开裂失效的情况。

（二）管道外部开裂方面

可以很明显地得出天然气输送管道是因为内部的湿酸环境和含有二氧化碳以及硫化氢的天然气造成的内部腐蚀导致的失效问题，这也意味着天然气脱水环节的失效或者低效，同时用于降低內部腐蚀情况使用的缓蚀剂也没有起到作用[4]。

（三）失效位置

从样品中可以看到发生泄露的区域是钢管的下侧底部，具体位于螺旋焊缝及周围以开裂的形式出现泄露，失效的情况往往位于严重内腐蚀的部位。同时根据测试的数据分析，内部腐蚀会沿着管道长度的方向上生长，除了管道的底部区域，位于别的区域的开裂也是存在可能的。

（四）综合原因分析

开裂的诱因来自酸性气体的环境以及螺旋焊缝周边应力的改变及其材料性质的降低等，这些因素共同导致了开裂的出现。当管道内部被腐蚀后，这一区域的环向应力会变大，此时应力总体趋势是从发生腐蚀的位置向外递增。

三、结束语

依照天然气管道沿螺旋焊缝的相关调查检验和失效原因分析我们可以知道：引起管道开裂最主要的诱因是管道的腐蚀，位于严重腐蚀位置的裂缝说明了这一情况；而且根据调查检验可以看出，不存在因为原材问题致使管道失效问题的出现；同时管道失效的原因可能是由于综合因素所导致的，比如：内部腐蚀、局部应力变化和严格的Ph值要求；在管道下侧位置严重的内部腐蚀是管道失效的最主要原因。

参考文献

[1]齐丽华，刘小峰，刘迎来，etal.X80螺旋埋弧焊管对接环焊接头失效裂纹分析[J].焊管，2012（6）：16-21.

[2]杨丁门，何兴利，赵炜，etal.西气东输二线用X80级螺旋埋弧焊管导向弯曲性能分析[J].焊管，2009，32（9）：18-21.

[3]谷海龙，陈楠，王海生，etal.X80M钢Φ1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管导向弯曲不合格原因分析[J].焊管，2017，40（11）.

[4]杨东平，胥聪敏，罗金恒，etal.0.8设计系数用X80管线钢在近中性pH溶液中的应力腐蚀开裂行为[J].材料工程，2015（1）：89-95.

（作者单位：辽河油田建设有限公司工程安装四分公司）