西部某油田在檢查集氣區(qū)氣液分離器現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)磁翻板液位計(jì)的密閉排污管線底部有液體滲出。拆開(kāi)檢查發(fā)現(xiàn)排污管道已發(fā)生斷裂失效，如圖１所 示。該 管 道 的 材 料 為３１６Ｌ 不 銹 鋼，管 道壓力為６．９～８．３ＭＰａ，工作溫度為１５～３０℃，介質(zhì)成分為凝析油、采出水。介質(zhì)中采出水含有大量的氯鹽，礦化度較高，并且分離器處理的天然氣中含有Ｈ２Ｓ，氣 田 采 出 原 料 氣 中 Ｈ２Ｓ 的 摩 爾 分 數(shù) 為０．０６％，ＣＯ２ 的摩爾分?jǐn)?shù)為１．５７％?，F(xiàn)場(chǎng)污水中氯鹽含量達(dá)８０７２０．４ｍｇ／Ｌ，屬于高含氯環(huán)境，并且呈酸性（ｐＨ 為５．７０），密度為１．０８６１。因此，腐蝕管道運(yùn)行面臨 含 氯、含 Ｈ２Ｓ腐 蝕 和 含 ＣＯ２ 的 腐 蝕 環(huán)境。對(duì)該失效管道進(jìn)行理化檢驗(yàn)，分析其斷裂失效原因，為作業(yè)區(qū)管線使用和更換提供建議。

 

１ 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

１．１ 化學(xué)成分分析

從失效管道 管 體 的４個(gè) 部 位 取 樣，采 用 ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＡＲＬ３４６０光 譜 分 析 儀 對(duì) 管 道的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表１所示。結(jié)果表明：管道 ４ 個(gè)部位的化學(xué)成分均滿足 ＧＢ／Ｔ２０８７８－２００７《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》的要求，即化學(xué)成分合格，可以排除由于化學(xué)成分不合格造成管道腐蝕失效的可能。

 

１．２ 金相檢測(cè)

從失效管道上截取金相試樣，用體積比為３∶１的 鹽 酸 硝 酸 溶 液 （王 水）腐 蝕 試 樣，再 依 據(jù) ＧＢ／Ｔ１３２９８－２０１５ 《金屬顯微組織 檢驗(yàn)方法》在 ＶＨＸ－２０００型３Ｄ顯微鏡上對(duì)失效管道進(jìn)行 金 相 檢 測(cè)，結(jié)果如圖２所示。

 

金相檢測(cè)結(jié)果表明：該失效管道材料呈現(xiàn)均一的奧氏體相 組 織，晶 界 清 晰 可 見(jiàn)，晶粒直徑分布在３０～１００μｍ，無(wú)明顯的夾雜物。

 

１．３ 硬度分析

使用顯微硬度測(cè)試儀測(cè)失效管道的顯微維氏硬度，試驗(yàn)方法 參 照 ＧＢ／Ｔ４３４０．１－２００９《金 屬 材 料維氏硬度試驗(yàn) 第１部分：試 驗(yàn) 方 法》標(biāo) 準(zhǔn) 中 顯 微 維氏硬度相關(guān)規(guī)定，共測(cè)試了４個(gè)試樣，每個(gè)試樣測(cè)８?jìng)€(gè)點(diǎn)，結(jié)果如表２所示。

 

硬度測(cè)試結(jié)果表明：４個(gè)試樣的硬度基本一致，均滿足 ＧＢ１３２９６－２０１３《鍋 爐、熱 交 換 器 用 不 銹 鋼無(wú)縫鋼管》中的指標(biāo)要求（≤２２０ ＨＶ），即失效管道的硬度合格。

 

１．４ 腐蝕產(chǎn)物分析

從斷口附近對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行取樣，用丙酮溶液去除樣品表面油脂并使用超聲波震 蕩１ｈ后 烘 干，再使用Ｓ４８００掃描電鏡及其附帶的能譜儀（ＥＤＳ）進(jìn)行分析，結(jié)果如圖３所示。結(jié)果表明：除了管體材料中的元素以外，腐蝕產(chǎn)物中存 在 Ｃｌ，Ｓ，Ｃ 和 Ｏ 等 元素，這些元素來(lái)自于導(dǎo)致管體發(fā)生腐蝕的環(huán)境。ＣＯ２ 和 Ｈ２Ｓ的存 在 都 會(huì) 促 進(jìn) 不 銹 鋼 發(fā) 生 應(yīng) 力腐蝕［１２－１４］，隨著 ＣＯ２ 相 對(duì) 含 量 的 增 加，腐 蝕 主 導(dǎo) 因素將轉(zhuǎn)變 為 ＣＯ２［１５］。奧 氏 體 不 銹 鋼 對(duì) 于 Ｃｌ－ 引 起的應(yīng)力腐 蝕 較 為 敏 感［１６－１７］，Ｃｌ－ 造 成 不 銹 鋼 發(fā) 生 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂大致可分為兩個(gè)階段：第一階段，金屬表面鈍化膜破壞發(fā)生點(diǎn)蝕；第二階段，以腐蝕坑底部的敏感點(diǎn)為裂紋源產(chǎn)生裂紋，裂紋在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，zui終形 成 應(yīng) 力 腐 蝕 開(kāi) 裂［１８］。Ｃｌ－ 能 顯 著 增 加３０４不銹鋼在 飽 和 Ｈ２Ｓ溶液中的點(diǎn)蝕傾向［１９］。目前，關(guān) 于 Ｈ２Ｓ－ＣＯ２－Ｃｌ－ 共 存 體 系 的 研 究 較 少，有 研究表明超級(jí)１３Ｃｒ不銹鋼在 Ｈ２Ｓ－ＣＯ２－Ｃｌ－ 體系中的點(diǎn)蝕傾向 隨 著 Ｃｌ－ 含 量 增 加 而 越 發(fā) 嚴(yán) 重［２０］。管 體在該工況環(huán)境中服役存在較大的應(yīng)力腐蝕敏感性和點(diǎn)蝕敏感性［２１］。

 

１．５ 斷口腐蝕形貌分析

失效管道斷 口 上 有 肉 眼 可 見(jiàn) 的 裂 紋，采 用 Ｈｉ－ｔａｃｈｉＴＤＣＬＳ４８００場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)斷口裂紋區(qū)形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖４所示。結(jié)果表明，斷裂處有兩處裂紋，均從管壁內(nèi)萌生，然后向外擴(kuò)展，其中２號(hào)裂紋已經(jīng)發(fā)展成為貫穿管壁的裂紋，且裂紋出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。

 

對(duì)斷口上的２號(hào)裂紋附近進(jìn)一步放大分析，結(jié)果如圖５所示。結(jié)果表明：在２號(hào)裂紋附近有大量的 晶粒以及較為寬大的晶界，端口呈沿晶斷裂和穿晶解理斷裂特征，表面可見(jiàn)“泥狀花樣”形貌，此種斷裂形貌為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的典型斷裂形貌［２２］；寬大晶界大面積出現(xiàn)，此處晶粒間距可達(dá)到１μｍ 左右。通過(guò)使用ＳＥＭ 的背散射電子像對(duì)斷口裂紋區(qū)的觀察可知，裂紋附近幾乎所有的晶界都發(fā)生了腐蝕，如圖６ 所 示。由 此 可 見(jiàn)，失 效 管 道 發(fā) 生 了 晶 間腐蝕。

 

采用掃描電鏡對(duì)斷口非裂紋區(qū)形貌也進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖７所示。結(jié)果表明：在靠近外壁斷口處存在大量韌 窩，這 是 典 型 的 韌 性 斷 裂 形 貌［２３］；靠 近內(nèi)壁斷口處呈現(xiàn)河流狀花樣，這是脆性解理斷裂的形貌特征。因此，該區(qū)域斷口呈現(xiàn)脆性解理斷裂和韌性斷裂的混合型斷裂特征。

 

管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效的原因是由于污水系統(tǒng)中 Ｈ２Ｓ，Ｃｌ－ ，ＣＯ２ 等 腐 蝕 性 物 質(zhì) 不 斷 在 管 內(nèi) 壁 沉積，并與 管 道 內(nèi) 壁 發(fā) 生 電 化 學(xué) 反 應(yīng)，加 速 材 料 腐蝕［２４］，由于晶界 處 電 位 比 晶 內(nèi) 電 位 低，因 此 晶 界 容易腐蝕，從而產(chǎn)生沿晶和穿晶裂紋，裂紋從管道內(nèi)壁向外擴(kuò)展，斷裂也從沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，?dāng)裂紋擴(kuò)展到管外壁時(shí)發(fā)生韌性撕裂，管體斷裂失效。

 

１．６ 表面腐蝕形貌分析

使用線切割將發(fā)生斷裂的管體附近完好部位從中部剖開(kāi)，再使用稀鹽酸對(duì)其進(jìn)行除銹１０ｍｉｎ并清洗，除銹過(guò)程中使用超聲波震蕩。采 用 ＶＨＸ－２０００型３Ｄ顯微鏡觀察除銹后試樣的表面腐蝕形貌。失效管道內(nèi)壁除銹前后的宏觀腐蝕形貌如圖８所示。結(jié)果表明：管道內(nèi)壁出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕產(chǎn)物較多且較難去除；除銹后可見(jiàn)，管道內(nèi)壁多數(shù)部位存在腐蝕坑。

 

　　失效管道內(nèi)壁微觀腐蝕形貌如圖９所示。結(jié)果表明：低倍下可見(jiàn)管壁內(nèi)壁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，有較多腐蝕坑，并且部分腐蝕坑已被腐蝕產(chǎn)物覆蓋；高倍下可見(jiàn)管壁內(nèi)壁出現(xiàn)沿晶腐蝕特征，多數(shù)部位晶界發(fā)生腐蝕，晶間腐蝕現(xiàn)象明顯。分析失效管道表面腐蝕形貌可知，該管道內(nèi)壁出現(xiàn)大面積的點(diǎn)蝕坑，且管道腐蝕破壞zui先從內(nèi)壁開(kāi)始發(fā)生。

 

２ 失效原因分析

　　失效管道的化學(xué)成分、硬度等指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，材料本身無(wú)缺陷，因此可以排除材料本身性能問(wèn)題引起管道斷裂失效的可能。腐蝕產(chǎn)物中存在 Ｃｌ，Ｓ，Ｃ和 Ｏ 等元素，這表明失效管道所處的環(huán)境在存在 Ｈ２Ｓ，ＣＯ２，Ｃｌ－ 等促進(jìn)不銹鋼發(fā)生應(yīng)力 腐 蝕 開(kāi) 裂的因素。由斷口腐蝕形貌可知，失效管道發(fā)生了晶間腐蝕，斷裂由應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起。由此可以判斷該處斷裂是氯化物、硫化物和 ＣＯ２ 共同作用導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。由管道表面腐蝕形貌可知，管道腐蝕破壞zui先從內(nèi)壁開(kāi)始發(fā)生。

 

管線失效的原 因 為 Ｈ２Ｓ，ＣＯ２，Ｃｌ－ 等 腐 蝕 性 物質(zhì)共同作用下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，腐蝕失效開(kāi)裂過(guò)程可分為以下幾個(gè)部分：

（１）腐蝕從 排 污 管 線 內(nèi) 壁 開(kāi) 始 發(fā) 生，在 腐 蝕 性介質(zhì)的侵蝕下金屬表面鈍化膜被破壞，管道內(nèi)壁發(fā)生點(diǎn)蝕。

（２）腐蝕坑 底 部 的 敏 感 點(diǎn) 為 裂 紋 源，晶 界 處 發(fā)生腐蝕并沿晶界擴(kuò)展，出現(xiàn)沿晶腐蝕和穿晶腐蝕，在管道內(nèi)壓力的作用下，裂紋發(fā)生擴(kuò)展。

（３）隨著裂 紋 的 擴(kuò) 展，當(dāng) 管 壁 處 的 局 部 應(yīng) 力 達(dá)到材料本身強(qiáng)度極限時(shí)，沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈越饫頂嗔?，裂紋擴(kuò)展到管外壁時(shí)發(fā)生韌性撕裂，管體斷裂失效。

 

３ 結(jié)論與建議

該管道發(fā)生了由應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致的斷裂，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕失效的原因是污水系統(tǒng)中 Ｈ２Ｓ，Ｃｌ－ ，ＣＯ２ 等腐蝕性物質(zhì)不斷在鋼管內(nèi)壁沉積，與管道內(nèi)壁發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加速材料腐蝕，管道內(nèi)壁首先發(fā)生腐蝕，從而產(chǎn)生沿晶和穿晶裂紋，裂紋從管道內(nèi)壁向外擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到管外壁時(shí)發(fā)生韌性撕裂，管體zui終斷裂失效。

 

管道腐蝕是由 Ｈ２Ｓ，Ｃｌ－ ，ＣＯ２ 等腐蝕性物質(zhì)引起的，為防止管道再次發(fā)生腐蝕，可以在污水進(jìn)入管道前增加一道工序去除腐蝕性物質(zhì)或采用耐蝕性更好的管道材料。