冶金复合三通失效分析

单　华　姜　放　方　伟　王胜雷　刘君臣

1. 中国石油塔里木油田公司天然气事业部,　新疆　库尔勒　841000; 2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司,　四川　成都　610041

0　前　言

2015年6月11日,中国石油塔里木油田公司迪那油气处理厂主控室值班人员发现DN 2-24井阀室可燃气体检测仪报警。采气队人员到达现场,发现DN 2-24井支线进集气干线处刺漏[1]。主控室随即对DN 2-24井以西共计11口井执行远程关井,并对DN 2-9 T以西至迪那2-2集气站集气干线进行泄压。当日对DN 2-24井支线进干线处进行挖掘,检查埋地管线刺漏点,发现DN 2-24井支线进干线冶金复合三通变径处渗漏,现场组织对漏点焊接补丁,恢复生产。2015年7月检修时对该冶金复合三通进行检查,发现其内部存在腐蚀,随即进行了更换。对该三通进行了失效分析,根据分析结论对在用的同批次三通进行排查,发现DN 2-23井三通存在类似情况。

1　腐蚀情况

1.1　刺漏及紧急处理情况

三通发生刺漏后,停止生产,并对该处进行挖掘,发现表面有渗漏点,见图1。现场对焊点焊接补丁,见图2。

图1　渗漏情况

图2　打补丁

1.2　内部腐蚀情况和三通结构

检修时通过排查,先后对发现有内部腐蚀的DN 2-24、DN 2-23井三通进行了更换,其内部腐蚀情况见图3～4。从内部形貌可以看出,二者形态相似。

图3　DN 2-23干线三通缺陷内部形貌

图4　DN 2-24干线三通缺陷内部形貌

DN 2-24割开的三通见图5,结构见图6。三通主管尺寸Ф 457,支管Ф 219,基层材料L 415,内衬3 161复合层3 mm。

图5　DN 2-24割开后三通缺陷内部形貌

图6　三通结构图

2　原因分析

为便于分析,将复合三通标记为主管、支管等部分[2],见图7。

图7　三通外结构

2.1　壁厚测量情况

按图7所示,将样品的横截面进行16等分,其具体标注方法是按照圆周的顺时针方向依次编号为0、1、2……15,见图8～9。

图8　三通支管段部分横截面图

图9　三通主管段挤出部分横截面图

图10　三通取样部分横截面标记示意图

按图10的标记方法分别对图7中三通支管部分横截面和主管段挤出部分横截面的316 L不锈钢内衬层及碳钢基管外层厚度进行测量,具体测量结果见表1。

表1三通支管部分和主管段挤出部分横截面内衬层及外层厚度测量结果

单位:mm

根据该复合三通相关参数,该复合三通规格中内衬层为3 mm,实际测量内衬层大部分区域超过5 mm,但局部区域(失效区域)内衬层仅为1.5 mm。制造过程中,为了顺利焊接,其焊接线能量参数必然设定为5 mm厚不锈钢对接的相应参数,这样使得在1.5 mm壁厚处也应用了焊接5 mm壁厚用的焊接参数,导致该区域被焊穿,在焊缝的焊趾处形成点状或线状的缺陷。

2.2　化学成分分析

在三通主管的基管层和衬层(编为1#主管和1#主管衬层)、三通支管的基管层和衬层(编为2#支管和2#支管衬层)、环焊缝区域基管焊接区和衬层(编为3#基管焊缝和3#衬层焊缝)分别取化学成分分析试样,应用直读光谱仪分别对3件样品的基管和衬管进行化学成分分析[3],结果见表2。

从化学成分分析的结果来看,焊缝与支管的Cr、Mo元素的组成有较大差别,这种差别势必导致力学性能和抗腐蚀效果的差异[4-6]。

表2复合三通化学成分分析结果

(w)

2.3　金相组织分析

在复合三通主管、三通支管及三通开裂环焊缝附近取样,分别对主管基材、衬层、支管基材、支管衬层及焊缝进行金相组织分析[7],结果见表3～4。

表3复合三通金相组织分析结果

试样基管组织衬管组织1#PF+P,心部有MA条带奥氏体2#F+P奥氏体+α固溶相

表4复合三通焊缝金相组织分析结果

试样焊缝盖面层组织焊缝热影响层组织焊缝硬化层组织焊缝扩散层组织焊缝衬层组织远离开裂区焊缝IAF+PF+WF+ B粒+PPF+B粒+PM回M回A+α固溶相开裂焊缝附近IAF+PF+WF+ B粒+PPF+B粒+PM回M回A+α固溶相

开裂焊缝附近的焊缝组织与远离开裂区焊缝的焊缝组织一致,但内焊缝一侧焊趾附近有裂纹。

2.4　力学性能试验

在三通主管的基管层(编为1#主管)、三通支管的基管层(编为2#支管)、环焊缝区域基管焊接区(编为3#焊缝处支管)分别取焊缝硬度试样,对其进行力学性能试验,结果见表5。

从表4和表5可以看出,复合三通基管环焊缝的局部硬度值超过60 HRA,且出现了M组织。通常,引起焊缝硬度高的主要原因是焊接线能量大,焊后冷却速度快,在焊缝组织中出现M组织。由此可以推断,该复合三通环焊缝焊接时,采用了较高的线能量。

表5复合三通主管、支管及焊缝处支管硬度试验结果

编号硬度试验结果试验标准1#主管50.1、50.3、50.52#支管46.0、46.6、47.03#焊缝处支管61.8、65.0、60.8GB/T 230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法》

2.5　电子显微分析

在复合三通失效环焊缝区域取样,采用扫描电子显微镜及X射线能谱分析仪对样品进行腐蚀成分分析及腐蚀形貌观察。低倍下剖开缺陷呈圆形,未见明显开裂,但内衬层焊缝有明显焊瘤。在高倍下可见缺陷内靠基管侧形貌有明显气体冲蚀痕迹,说明该复合管三通椭圆形孔洞主要是由于冲蚀所致。由此可以推断该复合三通失效根本原因是复合三通制造过程中,在环焊缝内衬层焊趾处存在点状或者线状未融合或焊穿,导致其在服役过程中,管道内气体从该处进入管道碳钢壁,发生冲蚀并开裂所致[8-21]。

2.6　生产工艺分析

DN 2-24井的气产量89×104m3/d,计算的支管流速2.3 m/s,流速不高,但由于三通处有来自生产汇管和支线二股液体汇合,存在涡流,在汇合处冲蚀较为严重,见图11,且在该处由于涡流存在剪切力,导致缓蚀剂不能附着,管道未得到良好的保护。

图11　三通处流体情况

3　三通排查情况

DN 2-24井三通发生刺漏后,检修时对未埋地的类似三通进行了排查。结果见表6。从表6可以看出,除DN 2-24井、DN 2-23井外其他三通未见有明显腐蚀。

表6复合三通排查结果

序号检测位置管道(管件)规格/mm材质检测出最小壁厚/mm1DN 2-8阀室支线到干线三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通为16.7,变径为16.32DN 2-17阀室支线到干线三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)Ф 219×19L 415+316 L三通为17.2,变径为17.83DN 2-23阀室支线到干线三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通变径部位附近壁厚异常,测出最小值为11.74DN 2-24阀室支线到干线三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通刺漏附近为4.05DN 2-2阀室支线到干线三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通附近为16.86DN 2-25阀室支线到干线三通Ф 457×(25+3)Ф 219×(14+3)L 415+316 L三通附近为16.97迪那2-1集气站进出站三通Ф 508×(19+3)L 415+316 L进站三通为19.7,前后直管段为19.7,出站三通T 2为21.3、T 3为21.0,直管段为19.7

4　结论

1)复合三通环焊缝周向内衬层严重不均,焊接线能量高,使焊接时在内衬层焊趾处产生点状或线状穿孔是导致复合三通失效的主要原因。

2)复合层穿孔后,管道内气体从该处进入基管壁内,冲蚀导致基管腐蚀,从而发生刺漏。

3)应严格控制产品生产质量,杜绝三通在拔制过程中出现衬层厚薄不均的情况,焊接时要选择好参数,避免衬管焊穿。