不等壁厚焊接钢管的穿孔失效分析

西部某油田不等壁厚焊接钢管发生腐蚀穿孔泄漏，为此，对管道的外观、壁厚、焊缝、化学成分、金相组织及腐蚀产物等进行了检测分析。结果表明:管道穿孔的主要原因是在高矿化度水工况下，在含有大面积未焊透缺陷的焊缝区出现了CO2腐蚀，同时内壁的焊缝处台阶改变了流体的流速流态，管道内流体不稳定的流动方式以及高浓度Cl－的作用导致管道内壁腐蚀产物膜的不断破坏，加快了腐蚀速率。

西部某油田计量间来油汇管是从计量间至油气净化站的一段集输干线，内部介质主要是油气水混液，运行压力为0．35～0．40MPa，运行温度为55～60℃，材质为20钢无缝钢管，制造标准依据GB/T8163－2008《输送流体用无缝钢管》［1］，该埋地管道运行8a后发生穿孔泄漏。管样外观和剖面示意图如图1所示，长度为1．5m，整个管样在A、B、C3段处的规格不同，分别是377mm×10mm、325mm×7mm、325mm×10mm，可见在两处环焊缝处均出现了不等壁厚焊接，而且泄漏点位于下游环焊缝(焊缝II)的6点钟方向。为了分析腐蚀穿孔的原因，本工作对该管道开展失效分析，并提出了相应的应对措施。

1理化检验及结果

1．1形貌观察

将失效管道沿轴向(9点钟－3点钟方向)剖开，在焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ内壁处均出现凸起的变径台阶结构，是不等壁厚钢管在管口对接焊时为保证外壁对齐而造成的内壁凸起结构，凸起的台阶棱角分明，并未做任何消减处理。在焊缝Ⅱ底部区域约6点钟方向发生穿孔，穿孔处内壁周围的台阶已被腐蚀掉，腐蚀孔由内壁向外壁逐渐贯通，而外壁腐蚀孔周围并未见明显腐蚀，由此判断为内腐蚀导致的穿孔(图2a)。在焊缝Ⅱ上顶部区域存在较多腐蚀坑，形貌呈现沿流向的凹坑(谷)以及泪滴状沟槽(图2b)。在焊缝Ⅰ环向也有多处腐蚀坑，底部比顶部区域的腐蚀坑要多且深，但相比焊缝Ⅱ的腐蚀程度较轻。

1．2壁厚测量

为检测管样壁厚是否合格或者减薄，采用Olympus27MG型超声测厚仪，以10cm为环带截面间距，避开焊缝每个环带等距离测量6个点壁厚。壁厚测量结果见表1:A段和C段管样最大测量值是10．67mm，最小测量值是10．10mm，B段管样最大测量值是7．55mm，最小测量值是6．42mm。根据GB/T8163－2008:公称壁厚为10mm和7mm的20钢管的壁厚允许偏差为±1．50mm和±1．05mm。据此，表1所测量的壁厚符合GB/T8163－2008的要求，且内壁腐蚀减薄量较小。

1．3化学成分分析

为分析管样的化学成分是否正常，采用AＲL4460直读光谱仪对钢管母材进行化学成分分析，检测结果如表2所示，可见管材成分均符合GB/T8163－2008中对20钢管的要求。

1．4X射线探伤

为了进一步了解管样在不等壁厚焊接情况下环焊缝的焊接质量，采用XXP-3005X射线探伤机对送检管样的焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ进行全周向X射线无损探伤，结果显示两道焊缝均出现大面积的未焊透，评定结果为Ⅳ级不合格。为查看未焊透的宏观形貌，在焊缝上截取小试样进行观察，发现试样内壁存在明显的未焊透缺陷，且缺陷内存在黑色的腐蚀产物或沉积物。将试样表面进一步削去台阶，可见一条未焊透缝隙。

1．5金相组织分析

为分析管体及焊缝穿孔处的微观组织是否正常，采用MEF4M金相显微镜及图像分析系统对送检管段的显微组织、晶粒度及非金属夹杂物进行分析，结果显示焊缝处存在未焊透和气孔缺陷，其他组织未见异常，具体见表3。

管体显微组织如图3a所示，为铁素体+珠光体组织，晶粒度为9．0级，非金属夹杂物为A0．5B0．5D0．5;穿孔处的显微组织如图3b所示，为铁素体+珠光体组织;穿孔处焊缝试样的宏观低倍形貌显示，内焊缝未焊透;内外焊缝熔合处发现一空洞，如图3c所示，水平长度约1200μm;外焊缝显微组织如图3d所示，为针状铁素体+铁素体+魏氏组织铁素体+珠光体组织;内外焊缝熔合区显微组织如图3e，3f所示，为铁素体+魏氏组织铁素体;细晶区显微组织如图3g所示，为铁素体+珠光体组织。

1．6腐蚀产物分析

采用TESCANVEGAII扫描电子显微镜及其附带的XFOＲDINCA350能谱分析仪(EDS)对焊缝Ⅱ穿孔处表面和截面的腐蚀产物进行形貌观察和成分分析，并采用D8ADVANCEX射线衍射仪对送检管段内壁腐蚀产物进行物相分析。焊缝Ⅱ穿孔处表面腐蚀产物低倍形貌如图4a所示，其底部和边缘的腐蚀产物微观形貌如图4b和图4c所示，试样表面主要是点蚀产生的凹坑，表面附着较均匀的腐蚀产物。图4b和图4c中A、B两处的能谱分析结果如表4所示，可以看出腐蚀产物的主要成分为C、O和Fe，并含有一定量的S、Si，且在焊缝Ⅱ穿孔处凹坑底部含有少量的Ca、Cl。

将送检管段内壁腐蚀产物刮下并碾碎，利用X射线衍射仪进行物相分析(XＲD)，结果见图5。结合腐蚀产物的能谱分析结果可知，腐蚀产物可能包含的物相有FeCO3、CaCO3、CaSO4、Fe2O3和SiO2。

2腐蚀原因综合分析

由以上管样理化性能检测结果可以看出，管样的化学成分、组织均未见异常。管样壁厚测量结果及宏观形貌分析显示除了焊缝部位的大面积腐蚀，管体腐蚀减薄量很小。对该管道输送介质进行介质组分化验，结果见表6。由表6可知，Cl－浓度较高，为1．24×105mg/L，含水率高达93．8%，pH值为5．89(呈弱酸性)，CO2含量为4%(摩尔分数)，可见介质的腐蚀性很强。首先高含水CO2增加了水中H+浓度，降低了水体pH值，水呈酸性，普通碳钢管材易产生氢去极化腐蚀，腐蚀产物为FeCO3［2］，穿孔处的腐蚀产物能谱及XＲD分析也发现存在元素C、O、Fe以及FeCO3物相。反应过程如下:CO2+H2O→H2CO3Fe+H2CO3→FeCO3+H2同时介质高含Cl－，活性Cl－优先吸附在钢管内表面的缺陷处而诱发腐蚀;Cl－的存在致使钢管内表面钝化膜在组织结构上发生改变并加速钝化膜溶解;尺寸较小的Cl－极易穿过垢层的疏松区域或缺陷处到达金属表面造成垢下腐蚀，诱发点蚀坑;当点蚀坑形成后，液相中的Cl－进入点蚀坑内，形成闭塞电池，导致蚀孔的发展［3，4］，穿孔处的腐蚀产物分析也发现腐蚀产物与基体金属交界处存在Cl－，反应过程如下:Fe+Cl－+H2O→［FeCl(OH)］－ads+e+H+［FeCl(OH)］－ads→FeClOH+eFeClOH+H+→Fe2++Cl－+H2O可见，流体介质的腐蚀性较强，而管样材质是20钢，在未加任何缓蚀剂的情况下容易发生电化学腐蚀，同时Cl－还会在内壁面缺陷处促进和诱发点蚀。而管样X射线探伤和金相分析也发现，焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ环向有大面积的未焊透，质量级别为Ⅳ级不合格，未焊透处即为腐蚀敏感部位［5］。

此外，管样管口对接是外径相同的不等壁厚焊接，在焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ处均出现了变径的台阶结构，壁厚差(错边量)为3mm，参照GB50236－2011《现场设备、工业管道焊接工程施工验收规范》［6］规定错边量不应超过2mm，以及GB50517－2010《石油化工金属管道工程施工质量验收规范》［7］规定壁厚差大于2mm的管口对接焊应采用内削边或削薄处理，因此，该管样的不等壁厚焊接结构不符合标准要求。

不等壁厚处的焊缝台阶改变了流体的流速流态，易形成湍流，造成冲刷腐蚀，而且会造成该处的应力集中，将进一步直接促进腐蚀反应进程［8］。同时，介质的矿化度高，有絮状的沉淀物，同时腐蚀产物分析发现有CaCO3、CaSO4和SiO2，这些难溶于水的固相物质会加速管壁焊缝台阶处的磨损，促进冲刷腐蚀进程［9］。焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ也发现了沿流向的凹坑及泪滴状冲刷腐蚀沟槽形貌，进一步验证了冲刷腐蚀的存在。因此，强腐蚀性介质首先将进入焊缝未焊透缺陷，形成点蚀坑。其次管样内壁焊缝处的台阶凸起结构，引起管道内介质流速流态的改变，对台阶部位产生冲刷腐蚀，冲刷能加速电化学反应的传质过程，腐蚀产物脱离材料表面，从而加速腐蚀，腐蚀凹坑进一步扩大，顶部介质流动界面处液滴和气体使腐蚀凹坑形成泪滴状的沟槽，底部液体和固体沉积颗粒逐渐冲蚀掉台阶而形成更加密集的腐蚀坑，同时造成流体流态改变导致微湍流的形成，从而导致冲刷磨损强度增加，最终导致穿孔。

3结论及建议

(1) 该管样的化学成分、显微组织、晶粒度和非金属夹杂物均满足GB/T8163－2008中对20钢管的要求，但焊缝X射线探伤发现有大面积的未焊透缺陷，焊缝等级为Ⅳ级不合格。

(2) 该管道腐蚀穿孔的原因是:在高矿化度水工况下，在不等壁厚管体对接焊处含有大面积未焊透缺陷，在此缺陷处发生CO2腐蚀。内壁环焊缝处的台阶改变了流体的流速流态，管道内流体不稳定的流动方式以及高浓度Cl－的作用导致管道内壁腐蚀产物膜的不断破坏，加快了腐蚀速率。

(3) 建议加强CO2的脱除效果并对其含量进行监测，并添加缓蚀剂以减缓腐蚀速率。

(4) 建议针对外径相同的不等壁厚(壁厚差大于2mm)的管口对接焊时，应依据GB50517－2010等相关规定进行内削边或削薄处理。