天然气管道开裂失效分析.pdf

天然气管道开裂失效分析 单广斌 ， 刘小辉 。 亓婧 ， 翟 良云， 王延平 中国石油化工股份有限公司 青岛安全工程研究院 ， 山东 青岛2 6 6 0 7 1 摘要 对发生开裂的天然气管道进行 了系统的分析与测试， 如宏观分析 、 成分分析 、 金相组织分析 、 硬度测试、 氢含量测试、 扫描电镜观察等。结果表明， 管道开裂的机理为氢致开裂， 管道局部的划伤 是管道发 生开裂的主要原 因。 关键词 氢致开裂 ； 失效分析 ； 天然气管道 中图分类号 T H1 4 2 ． 2 ； T E 8 3 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 3 1 1 0 0 4 7 0 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 0 8 Fa i l ur e An a l y s i s o f Na t ur a l Ga s Pi p e l i ne S H AN Gu a n g b i n ， L I U X i a o h u i ， QI J i n g ， Z HA I L i a n g y u n ， WAN G Y a np i n g S I N O P E C S a f e t y E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1 ， C h i n a Ab s t r a c t A s e r i e s o f t e s t s we r e c a r r i e d o u t o n t h e na t u r a l g a s p i p e l i ne， s uc h a s ma c r o s c o pi c a n a l y s i s， c h e mi c a l c o mp o s i t i o n a n a l y s i s， me t all o g r a ph i c a n a l y s i s， h a r d n e s s t e s t s， h y d r o g e n c o n t e n t a n d s c a n n i n g e - l e c t r o n mi c r o s c o p e a n a l y s i s ． Ba s e d o n t he t e s t r e s u l t s ， t h e f a i l u r e r e a s o n s a r e d i s c u s s e d． Th e f a i l u r e me c h a - n i s m i s h y d r o g e n i n d u c e d c r a c k ， a n d t h e s c r a t c h o n t h e p i p e l i n e i s t h e m a j o r f a c t o r ． Ke y wor d s h y d r o g e n i n d uc e d c r a c k i n g； f a i l u r e a n a l y s i s； n a t ur a l g a s p i p e l i n e 0引言 某天然气输送 管道运行过程 中突然 开裂着 火 ， 为了查清事故原因， 对开裂管道进行失效原因 分析 。 失效管 道材 质为 L 3 9 0螺旋 钢管 ， 直径 5 0 8 m m， 壁厚 7 ． 9 m m。输送介质为天然气 ， 设计压力 6 ． 4 MP a ， 操作压力 4 ． 6 MP a ， 管道埋地 ， 外部采用 环氧粉末防腐涂层， 配有外加电流阴极保护措施。 1 宏观分析 道已分为两段 ， 部分管道 已展开为平板 ， 仅有少部 分与管道连接 ， 撕裂 口大部分在母材内， 见图 I 。 失效管道为一段直管 ， 裂 口总长度 2 ． 2 m， 管 图1 爆炸管道形貌 第 3 0卷第 1 1 期 压 力 容 器 总第 2 5 2期 表面严重划伤处 ， 而在划痕的底部存在裂纹。同 时阴极保护输出电流记录显示该段管道值 1 ． 1 1 ． 7 A 明显大于其他管段 约 0 。 1 A 。这也同 样说 明管道防腐涂层存在破损 。在破损处土壤中 腐蚀介质和水直接接触管道 ， 在阴极保护电位 的 作用下 ， 管道涂层破裂处发生大量析氢 H e H， 为氢致开裂提供了氢源。 氢原子很 小 ， 很 容易 渗透到管 道金属 内部。 进人金属 内部 的原子氢 ， 一方面可在应力诱导下 发生富集， 如 在划伤底部富集； 另一方面， 当两个 氢原子在夹杂 、 相界面 以及空位 等处相遇可结合 成氢分子 ， 体积膨胀 ， 局 部区域 内产 生氢压 J 。 随着氢的不断进入 ， 压力不断升高 ， 当内部氢压产 生应力 残余应力 工作应力 金属 的极 限强度 时 ， 形成孔洞和裂纹。在断 口的扫描 电镜观察 中 孔洞和二次裂纹均大量存在 见 图 7 d 。随着 氢的继续渗入和富集 ， 已形成的孔洞发生连接 ， 裂 纹不断扩展。这种裂纹可在无外力作用下出现 ， 失效管道中裂纹的形成与扩展主要 以这种方式 。 渗入金属内部的氢原子不仅可以结合成氢分 子形成内部氢压 ， 而且可降低原子键合力 ， 促进位 错发射等 J 。管道表面划伤 ， 又引起局部 的应 力集中， 在划伤的局部区域具有很高 的残余 应力 和应变。在应力与氢共同作用 ， 更容易发生开裂 。 裂纹起源区域的开裂就属于此类氢致开裂。 由于 L 3 9 0管线钢强度较低 ， 氢致开裂的敏感 性也相应的较低 J ， 在正 常使用条件下一 般不 发生氢致开裂。然而在开裂管道的硬度测试 中发 现 ， 表面 明显 的划伤引发了局部 的塑性变形 ， 造成 表面硬度 明显偏高， H V达 3 3 3 ， 高于 HR C 2 2 ， 见 图 6 。开裂敏感性大大提高。此外管道 中存 在带 状组织 见 图 4 a ， 进一步提高 了管道材料对 氢致开裂 的敏感性 。大 的阴极保护 电流 ， 又 提供 了大量的氢原 子。这些均 是造成 L 3 9 0管线 钢发生氢致开裂的原因。 因此 ， 该管道 的开裂是 由于该处管道发生严 重划伤 ， 局部发生应变 ， 硬度提高 ， 在 阴极保护提 供氢环境条件等多因素的共同作用下， 发生了氢 致开裂 。 8 结论与建议措施 1 管道开裂性质属 于氢致开裂 ； 管 道表面 严重的划伤 ， 是造成管道发生氢致开裂的主要原 因 ； 2 应严格控制管道 和施工质 量， 避免管道 划伤 ， 加强管道外防腐层的检测 ； 3 在铺设管道时要尽量安置在干燥的地方 或 区域 ， 尽量不要靠近水池 、 河道 、 湖边等 ； 4 合理 控制 阴极 保护 电位 和 电流 参 考 G B ／ T 2 1 4 8 8 --2 0 0 8 ， 运行 过程 中对 电位 和电流 进行监控 ， 一旦发现保护电流上升 ， 就应检查和分 析原因， 以防氢致开裂 的发生； 5 提高管线钢抗氢致开裂 的能力 ， 如降低 钢的含硫量 ， 适 当加入少量铜 ， 加入适 当的钙， 减 少硫化物夹杂等 。 参考文献 [ 1 ] G B ／ T 9 7 1 l _2 0 1 1 ， 石油天然气工业管线输送系统 用钢管[ S ] ． [ 2 ] G B ／ T 6 3 9 4 --2 0 0 2 ， 金属平均晶粒度测定方法[ S ] ， [ 3 ] G B ／ T 1 3 2 9 9 --1 9 9 1 ， 钢的显微组织评定方法[ s ] ． [ 4 ] 任学冲， 周庆军， 褚武扬， 等． 金属中氢鼓泡形核的 机理[ J ] ． 科学通报， 2 0 0 7 ， 5 2 6 7 2 5 7 2 9 ． [ 5 ] 褚武扬． 氢致开裂和应力腐蚀机理的前沿问题 [ J ] ． 腐蚀科学与防护技术， 1 9 9 3 ， 5 3 1 5 11 5 7 ． [ 6 ] 陈国龙， 陈善继， 等． 腐蚀与防护手册 第二版第 1 卷[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 9 2 6 8 2 7 7 ． [ 7 ] 常乐， 钱英豪， 周鹏飞， 等． 埋地天然气管道三通的 失效分析[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 1 ， 2 8 9 5 65 9 ． [ 8 ] 周琦， 季根顺 ， 杨瑞成， 等． 管线钢中带状组织与氢 致开裂[ J ] _ 甘肃工业大学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 8 2 3 0 3 3． [ 9 ] 甘春瑾， 董文玲 ， 夏崇博． 影响管线钢氢致开裂敏感 性的因素分析[ J ] ． 河南冶金， 2 0 0 9 ， 1 7 5 1 6 1 8 ， 2 3 ． [ 1 O ] 崔巍升 ， 宫建国， 金涛． 化工厂管道振动原因分析 及控制[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 3 4 3 8 ． [ 1 1 ] 顾宝兰， 徐学东， 周莉 ， 等． 管线用钢显微组织对氢 致裂纹影 响的研究 [ J ] ． 理化检验 一物理分册， 2 0 0 6 ， 4 2 1 81 1 ． [ 1 2 ] 殷光虹， 施青， 孙元宁． 管线用钢氢致裂纹 H I C 影响因素分析[ J ] ． 钢管， 2 0 0 4 ， 3 3 6 2 0 2 6 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 0 9 修稿 日期 2 0 1 31 0 0 9 作者简介 单广斌 1 9 7 9一 ， 男， 工程师， 主要从事炼化设 备安全研究工作 ， 通信地址 2 6 6 0 7 1山东省青岛市中国石 油化工股份有限公 司青 岛安全工 程研究院， Ema i l s g bf r i e n d 1 63． c o rn。 ． 5】