输气钢管内壁椭圆形坑失效原因分析_黄晓辉.pdf
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1、失效分析第46卷 第3期2023年3月Vol.46 No.3Mar.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE输气钢管内壁椭圆形坑失效原因分析*黄晓辉1,2,符利兵1,2,周云1,2,黄晓江1,2,芦琳1,2,张超1,2,乔凌云1,2,韦奉1,2(1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司,西安 710018;2.宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西 宝鸡 721008)摘 要:为分析某输气用X52QS钢级无缝钢管内壁椭圆形凹坑失效原因,通过力学性能测试、金相检测、化学成分分析、扫描电镜(SEM)、物相(XRD)分析等手段,对该凹坑产生原因进行综合分析。结果发现,
2、凹坑区的 C、Cr、Mo、Ti、B等元素含量高于正常区,且偏聚在凹坑区;C、B 元素含量超标,化学成分不均导致凹坑区金相组织不均匀,使凹坑区发生微观原电池反应,凹坑区成为阳极被腐蚀而减薄;此外,凹坑内表面的CaCO3和SiO2含量较高,造成凹坑区垢下腐蚀;凹坑区表面膜疏松造成浓差电池,在介质冲刷等共同作用下会加速腐蚀,凹坑区壁厚持续减薄,最终形成更大的椭圆形凹坑。最后对样管最薄凹坑剩余厚度进行计算,发现已无法满足设计压力要求,建议换钢管或者降低设计压力后二次利用。关键词:输气钢管;腐蚀;凹坑失效;原电池反应中图分类号:TG172.3 文献标识码:A DOI:10.19291/ki.1001-3
3、938.2023.03.007Failure Analysis of Oval Pits on Inner Wall of Steel Pipe for Gas TransmissionHUANG Xiaohui1,2,FU Libing1,2,ZHOU Yun1,2,HUANG Xiaojiang1,2,LU Lin1,2,ZHANG Chao1,2,QIAO Lingyun1,2,WEI Feng1,2(1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods Co.
4、,Ltd.,Xian 710018,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)Abstract:In order to analyze the failure reason of the oval pit on the inner wall of a X52QS steel seamless steel pipe for gas transmission,the causes of the pit were comprehensively analyzed by means of mechani
5、cal property test,metallographic examination,chemical composition analysis,scanning electron microscope(SEM)and phase(XRD)analysis.The results showed that the content of C,Cr,Mo,Ti,B and other elements in the pit area was higher than that in the normal area and concentrated in the pit area.The conte
6、nt of elements C and B exceeds the standard,and the uneven chemical composition leads to the uneven metallographic structure in the pit area,which causes the microscopic galvanic cell reaction in the pit area,and the pit area becomes the anode which is corroded and thinned.In addition,the content of
7、 CaCO3and SiO2 on the inner surface of the pit is high,causing corrosion under the scale in the pit area.The loose facial mask on the surface of the pit area causes the concentration cell,which will accelerate the corrosion under the combined action of medium scouring,and the wall thickness of the p
8、it area will continue to decrease,eventually forming a larger oval pit.Finally,the remaining thickness of the thinnest pit of the sample pipe is calculated,and it is found that it cannot meet the design pressure requirements.It is recommended to replace the steel pipe or reduce the design pressure a
9、nd reuse it.Key words:gas transmission steel pipe;corrosion;pit failure;galvanic cell interaction*基金项目:中国石油天然气股份有限公司重大科技项目“超临界二氧化碳长距离管道关键技术研究”(项目编号2021ZZ01-02)。352023年 第 46 卷焊 管1失效概况某 天 然 气 输 送 用 X52QS 钢 级 406 mm12.5 mm 无缝钢管服役9年后,在管道智能检测时,发现钢管内部89点区域存在一些连续椭圆形凹坑缺陷,样管内壁凹坑宏观形貌如图1所示,可以看到凹坑内壁宏观形貌光滑下凹,凹坑外
10、壁无明显腐蚀。该管道服役时主要输送天然气,其中H2S含量为60 g/m3左右,管道运行添加缓蚀剂,管道设计压力为9.9 MPa。切取样管中一个最深最大的椭圆形凹坑进行测量,如图2所示,测得凹坑尺寸为长轴96 mm、短轴79 mm。测量凹坑壁厚最薄处,如图3所示,测得剩余厚度为7.13 mm,沿着样管正常部位圆周平均分布12个点测量壁厚,壁厚为12.3413.42 mm,表明样管正常区域并未发生明显减薄,正常区域壁厚符合GB/T 9711要求。对比该钢管原始设计壁厚12.5 mm,最深凹坑区域壁厚减小了5.37 mm,经计算,管体在服役9年期间,最深凹坑区域平均腐蚀速率达0.597 mm/a。2
11、理化检验2.1力学性能试验在管体凹坑附近分别沿管体纵向取拉伸试样,沿管体横向取冲击试样进行力学性能试验。采用 Z1200KN 电子万能材料试验机进行常温拉伸,拉伸试样为加载区宽 38.1 mm、标距长 50 mm的板状试样,所有拉伸试样断口剪切唇和纤维区明显,属于理想的塑性拉伸断口形貌,试验结果见表 1,管体拉伸性能完全符合 GB/T 9711 要求,说明管体剩余一定强度,较高的延伸率说明管体具有优异的塑性1-2。采用 PSW750J示波冲击试验机在-10 C下进行夏比 V 形缺口冲击试验,试样尺寸为10 mm10 mm55mm,试验结果见表 1,可以看到所有冲击韧性都远高于 GB/T 971
12、1 要求,冲击断口断面剪切率均为 100,呈典型的韧性断口形貌,与高的冲击吸收能量相对应,表明管体抵抗外力冲击性能优异3-4。采用Durascan-70全自动显微/维氏硬度试验机测试凹坑底部和邻近的正常壁厚断面区域维氏硬度,结果如图4所示,所有硬度点的维氏硬度数值 248HV10,虽然所有硬度都符合GB/T 9711标准要求,但是凹坑附近区域的维氏硬度存在一定差异,这主要是受试样组织不均匀的影响5。图1内壁凹坑形貌图2凹坑尺寸测量表1力学性能试验结果项目测试值标准要求Rt0.5/MPa435455 360Rm/MPa535550460760A/%4042 27CV/J(-10)单值283、27
13、7、291 20均值284 27图4凹坑区域及附近维氏硬度检测结果图3凹坑剩余壁厚测量 36第3期黄晓辉等:输气钢管内壁椭圆形坑失效原因分析HAN GUAN 2.2金相组织分析采用DMI5000M金相显微镜对凹坑区最薄壁厚断面和正常壁厚断面进行对比分析,发现两个对比断面从内到外的非金属夹杂物含量都较低,都主要存在D类球状氧化物,带状组织相近,带状组织级别均为0.51.0;同时晶粒度相近,晶粒都相对细小,晶粒度均为1010.5,可见凹坑区的非金属夹杂、带状组织和晶粒度都符合GB/T 9711要求。凹坑壁厚断面的金相组织如图5所示,可以看到,凹坑壁厚断面主要由白色铁素体(F)和灰色贝氏体(B)组成
14、,凹坑区晶界疏松而紊乱,富集杂质多,腐蚀易于从活泼的金属晶界开始。正常壁厚区断面的金相微观组织如图 6 所示,其主要由白色铁素体(F)、少量灰色贝氏体(B)组成,正常区晶界相对干净。凹坑区中灰色的B相比例明显多,由于凹坑区和正常区微观组织有一定的差异,组织差异会构成小的电位差,易于形成正常区域的大阴极和凹坑区域的小阳极,促使阳极凹坑发生腐蚀而使壁厚减小6-7。2.3化学成分分析采用岛津PDA-7000直读光谱仪对凹坑区和正常区域进行化学成分分析,分析结果见表2。可见,凹坑区相比正常区的C、Si、Mn、P、Cr、Mo、Ti、B化学元素含量高的多,其中,凹坑中的C和B含量均超过GB/T 9711要
15、求,说明无缝管在制造过程中,搅拌均匀化工艺出现失控,造成管体89点区域存在大量间断区,C和B元素严重聚集,而C元素过高会使钢管内部形成化学电池,从而产生原电池电化学腐蚀,降低了钢管的耐腐蚀性能8;B元素过高易在晶界区域形成非平衡偏聚,使得晶界区域易于被腐蚀9。在管道运行时,化学元素间本身存在电动序差异,凹坑区和正常区之间的元素差异会构成腐蚀原电池,凹坑区比正常区的 Cr、Mo、Ti合金组分都高很多,从而在凹坑区和正常区之间形成较大的电极电位差,通常随着合金成分的提高,会加速合金偏高区的局部选择性腐蚀,这是导致管体在服役期间凹坑区发生腐蚀减薄的诱因10。2.4XRD物相分析采用D8 ADVANC
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