20#钢热煨弯管的腐蚀穿孔分析

张 泉

（中国石油辽河油田公司物资分公司产品检验中心，辽宁 盘锦 124010）

20#钢热煨弯管失效形式多样，其中介质流动造成的冲蚀破坏是管道常见的失效形式之一[1，2]。20#钢热煨弯管发生腐蚀泄漏。该弯管制造工艺为热煨成型，材质20#钢，弯管母材Φ219*10,材质20#无缝钢管，执行标准为GB/T 8163-2008《输送流体用无缝钢管》，热煨工艺应符合介质输送要求。此管线设计流量150m³/d（流体）、，压力2.5Mpa,设计温度70℃。实际服役时间未超过2年,发生腐蚀穿孔。

1 无损检测

使用游标卡尺测量弯管过渡区截面壁厚，测得结果为10.17mm。使用PHASOR XS相控阵超声波探伤仪对过渡区未有涂层的部位进行斜波入射轴向及轴向扫查，对母材内部横向及纵向缺陷进行相控阵超声波检测，回波显示分析，在扫查区域的母材内部未发现有明显缺陷回波显示，未检测到缺陷。由于弯曲处腐蚀严重，对无损检测的检验结果有较大影响，无法对其开展有效分析和判定。

2 化学成分分析

使用斯派克直读光谱仪对过渡区、弯曲处腐蚀点附近进行化学成分分析。检验结果表明，失效弯管化学成分符合GB/T 8163-2008《输送流体用无缝钢管》的标准要求。

3 力学性能检验

3.1 拉伸试验

在过渡区外侧及内侧的直管段部分分别取拉伸试样，试样宽度38mm,标距110mm，按照GB/T 8163-2008标准在室温下进行拉伸试验，试验设备为Zwick Z330ReD型电子万能材料试验机。结果表明，热煨弯管力学性能符合GB/T 8163-2008的标准要求。

表1 过渡区拉伸试验检验结果

3.2 硬度试验

取弯管过渡区的腐蚀点、腐蚀点周边及直管段部分，弯曲处外弧面的腐蚀点、腐蚀点周边及内弧面部分开展全截面试样测试弯管截面硬度，试验设备为KB3000BVRZ-VIDeO型数字万能硬度试验机，结果见表2。

表2 硬度检验结果

根据SY/T 5257-2012的要求，可知过渡区直管段部分符合标准要求，但过渡区腐蚀点处、弯曲处外弧面腐蚀点处及腐蚀点周边的硬度值均已超过C级弯管的硬度要求,弯曲处外弧面腐蚀点的硬度值已超过B级弯管的硬度要求。

4 金相分析

取过渡区的腐蚀点处、腐蚀点周边及直管段，弯曲处外弧面腐蚀点、腐蚀点周边及内弧面部分的金相试样，使用蔡司Axio Observer A1M型倒置金相显微镜进行显微组织观察分析。结果见表3。

表3 金相检验结果

失效弯管感应弯曲后的显微组织并不均一，不符合SY/T 5257-2012中的要求。20#钢热轧态应为铁素体+珠光体，而过渡区及弯曲处上贝氏体的大量存在，对材料的塑性及韧性会产生较大影响，这可能是导致发生腐蚀的原因之一。

5 微观分析

对弯管过渡区及弯曲处的腐蚀点开展电子显微镜微观形貌扫描和微区能谱分析。试验设备为Thermo Fisher Scientifc 公司Quattro S型扫描电子显微镜，牛津仪器公司Oxford X-MAX20型能谱仪。过渡区、弯曲处腐蚀点及腐蚀带内的微观形貌如图1所示，均表现为较平滑的层状及不规则的疏松状结构腐蚀产物。微区能谱分析发现腐蚀产物主要成分均为O、Na、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Fe，氧元素含量较高可能由于弯管取样后在空气中形成氧化物，无法确认是否由于弯管内流体所含。

图1 过渡区、弯曲处腐蚀带（500X）

过渡区、弯曲处黑色腐蚀沉积物微观形貌如图2所示，主要呈球形颗粒状结构，沉积物中球形颗粒数量较多，最大颗粒尺寸超过1mm；对过渡区及弯曲处不同形态的三处位置进行微区能谱分析，发现腐蚀产物主要成分为O、Na、Mg、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Mn、Fe。但沉积物中S元素含量相比腐蚀带内的硫元素含量高出约17.4%，初步分析是由于弯管内输送流体中硫元素含量较高，以至形成硫化腐蚀产物。

图2 过渡区、弯曲处腐蚀沉积物（500X）

另对弯管内壁取片状腐蚀产物，对其进行平面及截面微观形貌及能谱分析。腐蚀产物表面呈沙粒状颗粒物，见图3，腐蚀产物片层厚度约为0.9mm～1.0mm，对三处不同位置进行微区能谱分析，发现腐蚀产物主要化学成分为O、Al、Si、S、K、Ca、Fe。发现S元素含量较高，分析是由于弯管内输送流体中S元素含量较高，与弯管内壁发生腐蚀作用，并与流体中的固相颗粒相结合，形成片状腐蚀产物。

图3 内壁腐蚀产物（500X）

6 综合分析

（1）20#钢热煨弯管化学成分、力学拉伸性能符合SY/T5257—2012 和 GB/T 8163—2008 的标准要求。过渡段弯曲处外弧面的维氏硬度较高，过渡区腐蚀点处、弯曲处外弧面腐蚀点处及腐蚀点周边的硬度值均已超过C级弯管的硬度要求，其中弯曲处外弧面腐蚀点的硬度值已超过B级弯管的硬度要求。

（2）弯管金相显微组织不均一，不符合SY/T 5257—2012的标准要求。

（3）微区能谱分析发现腐蚀沉积物及内壁腐蚀产物中S元素含量较高。

7 结语

弯管热煨过程中，由于热处理工艺不当，弯管整体热处理不均匀，外弧面管壁金相组织中存在上贝氏体，且未消除外弧面管壁拉应力，存在残余应力，降低了材料性能，是造成弯管腐蚀失效的主要原因；输送介质中因S元素的存在，导致输送的流体呈酸性，从而对弯管内壁产生腐蚀作用；弯管腐蚀处处于外弧面与流体入口呈约7°～20°夹角的位置，流体在输送过程中在此处开始发生流向变化，流体内的固体颗粒物对弯管外弧面的内壁产生较大的冲蚀作用。综上，弯管外弧面存在残余拉应力，材料性能降低，在管道流体介质的不断冲刷作用下，外弧面内壁发生持续的冲蚀，导致失效情况发生。