西部某油田在检查集气区气液分离器现场液位计时，发现磁翻板液位计的密闭排污管线底部有液体渗出。拆开检查发现排污管道已发生断裂失效，如图１所 示。该 管 道 的 材 料 为３１６Ｌ 不 锈 钢，管 道压力为６．９～８．３ＭＰａ，工作温度为１５～３０℃，介质成分为凝析油、采出水。介质中采出水含有大量的氯盐，矿化度较高，并且分离器处理的天然气中含有Ｈ２Ｓ，气 田 采 出 原 料 气 中 Ｈ２Ｓ 的 摩 尔 分 数 为０．０６％，ＣＯ２ 的摩尔分数为１．５７％。现场污水中氯盐含量达８０７２０．４ｍｇ／Ｌ，属于高含氯环境，并且呈酸性（ｐＨ 为５．７０），密度为１．０８６１。因此，腐蚀管道运行面临 含 氯、含 Ｈ２Ｓ腐 蚀 和 含 ＣＯ２ 的 腐 蚀 环境。对该失效管道进行理化检验，分析其断裂失效原因，为作业区管线使用和更换提供建议。

 

１ 理化检验与结果

１．１ 化学成分分析

从失效管道 管 体 的４个 部 位 取 样，采 用 ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＡＲＬ３４６０光 谱 分 析 仪 对 管 道的化学成分进行分析，结果如表１所示。结果表明：管道 ４ 个部位的化学成分均满足 ＧＢ／Ｔ２０８７８－２００７《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》的要求，即化学成分合格，可以排除由于化学成分不合格造成管道腐蚀失效的可能。

 

１．２ 金相检测

从失效管道上截取金相试样，用体积比为３∶１的 盐 酸 硝 酸 溶 液 （王 水）腐 蚀 试 样，再 依 据 ＧＢ／Ｔ１３２９８－２０１５ 《金属显微组织 检验方法》在 ＶＨＸ－２０００型３Ｄ显微镜上对失效管道进行 金 相 检 测，结果如图２所示。

 

金相检测结果表明：该失效管道材料呈现均一的奥氏体相 组 织，晶 界 清 晰 可 见，晶粒直径分布在３０～１００μｍ，无明显的夹杂物。

 

１．３ 硬度分析

使用显微硬度测试仪测失效管道的显微维氏硬度，试验方法 参 照 ＧＢ／Ｔ４３４０．１－２００９《金 属 材 料维氏硬度试验 第１部分：试 验 方 法》标 准 中 显 微 维氏硬度相关规定，共测试了４个试样，每个试样测８个点，结果如表２所示。

 

硬度测试结果表明：４个试样的硬度基本一致，均满足 ＧＢ１３２９６－２０１３《锅 炉、热 交 换 器 用 不 锈 钢无缝钢管》中的指标要求（≤２２０ ＨＶ），即失效管道的硬度合格。

 

１．４ 腐蚀产物分析

从断口附近对腐蚀产物进行取样，用丙酮溶液去除样品表面油脂并使用超声波震 荡１ｈ后 烘 干，再使用Ｓ４８００扫描电镜及其附带的能谱仪（ＥＤＳ）进行分析，结果如图３所示。结果表明：除了管体材料中的元素以外，腐蚀产物中存 在 Ｃｌ，Ｓ，Ｃ 和 Ｏ 等 元素，这些元素来自于导致管体发生腐蚀的环境。ＣＯ２ 和 Ｈ２Ｓ的存 在 都 会 促 进 不 锈 钢 发 生 应 力腐蚀［１２－１４］，随着 ＣＯ２ 相 对 含 量 的 增 加，腐 蚀 主 导 因素将转变 为 ＣＯ２［１５］。奥 氏 体 不 锈 钢 对 于 Ｃｌ－ 引 起的应力腐 蚀 较 为 敏 感［１６－１７］，Ｃｌ－ 造 成 不 锈 钢 发 生 应力腐蚀开裂大致可分为两个阶段：第一阶段，金属表面钝化膜破坏发生点蚀；第二阶段，以腐蚀坑底部的敏感点为裂纹源产生裂纹，裂纹在应力作用下不断扩展，zui终形 成 应 力 腐 蚀 开 裂［１８］。Ｃｌ－ 能 显 著 增 加３０４不锈钢在 饱 和 Ｈ２Ｓ溶液中的点蚀倾向［１９］。目前，关 于 Ｈ２Ｓ－ＣＯ２－Ｃｌ－ 共 存 体 系 的 研 究 较 少，有 研究表明超级１３Ｃｒ不锈钢在 Ｈ２Ｓ－ＣＯ２－Ｃｌ－ 体系中的点蚀倾向 随 着 Ｃｌ－ 含 量 增 加 而 越 发 严 重［２０］。管 体在该工况环境中服役存在较大的应力腐蚀敏感性和点蚀敏感性［２１］。

 

１．５ 断口腐蚀形貌分析

失效管道断 口 上 有 肉 眼 可 见 的 裂 纹，采 用 Ｈｉ－ｔａｃｈｉＴＤＣＬＳ４８００场发射扫描电子显微镜对断口裂纹区形貌进行分析，结果如图４所示。结果表明，断裂处有两处裂纹，均从管壁内萌生，然后向外扩展，其中２号裂纹已经发展成为贯穿管壁的裂纹，且裂纹出现分叉现象。

 

对断口上的２号裂纹附近进一步放大分析，结果如图５所示。结果表明：在２号裂纹附近有大量的 晶粒以及较为宽大的晶界，端口呈沿晶断裂和穿晶解理断裂特征，表面可见“泥状花样”形貌，此种断裂形貌为应力腐蚀开裂的典型断裂形貌［２２］；宽大晶界大面积出现，此处晶粒间距可达到１μｍ 左右。通过使用ＳＥＭ 的背散射电子像对断口裂纹区的观察可知，裂纹附近几乎所有的晶界都发生了腐蚀，如图６ 所 示。由 此 可 见，失 效 管 道 发 生 了 晶 间腐蚀。

 

采用扫描电镜对断口非裂纹区形貌也进行了分析，结果如图７所示。结果表明：在靠近外壁断口处存在大量韧 窝，这 是 典 型 的 韧 性 断 裂 形 貌［２３］；靠 近内壁断口处呈现河流状花样，这是脆性解理断裂的形貌特征。因此，该区域断口呈现脆性解理断裂和韧性断裂的混合型断裂特征。

 

管道发生应力腐蚀失效的原因是由于污水系统中 Ｈ２Ｓ，Ｃｌ－ ，ＣＯ２ 等 腐 蚀 性 物 质 不 断 在 管 内 壁 沉积，并与 管 道 内 壁 发 生 电 化 学 反 应，加 速 材 料 腐蚀［２４］，由于晶界 处 电 位 比 晶 内 电 位 低，因 此 晶 界 容易腐蚀，从而产生沿晶和穿晶裂纹，裂纹从管道内壁向外扩展，断裂也从沿晶断裂转变为脆性断裂，当裂纹扩展到管外壁时发生韧性撕裂，管体断裂失效。

 

１．６ 表面腐蚀形貌分析

使用线切割将发生断裂的管体附近完好部位从中部剖开，再使用稀盐酸对其进行除锈１０ｍｉｎ并清洗，除锈过程中使用超声波震荡。采 用 ＶＨＸ－２０００型３Ｄ显微镜观察除锈后试样的表面腐蚀形貌。失效管道内壁除锈前后的宏观腐蚀形貌如图８所示。结果表明：管道内壁出现了较为严重的腐蚀现象，腐蚀产物较多且较难去除；除锈后可见，管道内壁多数部位存在腐蚀坑。

 

　　失效管道内壁微观腐蚀形貌如图９所示。结果表明：低倍下可见管壁内壁出现较为严重的腐蚀现象，有较多腐蚀坑，并且部分腐蚀坑已被腐蚀产物覆盖；高倍下可见管壁内壁出现沿晶腐蚀特征，多数部位晶界发生腐蚀，晶间腐蚀现象明显。分析失效管道表面腐蚀形貌可知，该管道内壁出现大面积的点蚀坑，且管道腐蚀破坏zui先从内壁开始发生。

 

２ 失效原因分析

　　失效管道的化学成分、硬度等指标满足标准要求，材料本身无缺陷，因此可以排除材料本身性能问题引起管道断裂失效的可能。腐蚀产物中存在 Ｃｌ，Ｓ，Ｃ和 Ｏ 等元素，这表明失效管道所处的环境在存在 Ｈ２Ｓ，ＣＯ２，Ｃｌ－ 等促进不锈钢发生应力 腐 蚀 开 裂的因素。由断口腐蚀形貌可知，失效管道发生了晶间腐蚀，断裂由应力腐蚀开裂引起。由此可以判断该处断裂是氯化物、硫化物和 ＣＯ２ 共同作用导致的应力腐蚀开裂。由管道表面腐蚀形貌可知，管道腐蚀破坏zui先从内壁开始发生。

 

管线失效的原 因 为 Ｈ２Ｓ，ＣＯ２，Ｃｌ－ 等 腐 蚀 性 物质共同作用下的应力腐蚀开裂，腐蚀失效开裂过程可分为以下几个部分：

（１）腐蚀从 排 污 管 线 内 壁 开 始 发 生，在 腐 蚀 性介质的侵蚀下金属表面钝化膜被破坏，管道内壁发生点蚀。

（２）腐蚀坑 底 部 的 敏 感 点 为 裂 纹 源，晶 界 处 发生腐蚀并沿晶界扩展，出现沿晶腐蚀和穿晶腐蚀，在管道内压力的作用下，裂纹发生扩展。

（３）随着裂 纹 的 扩 展，当 管 壁 处 的 局 部 应 力 达到材料本身强度极限时，沿晶断裂转变为脆性解理断裂，裂纹扩展到管外壁时发生韧性撕裂，管体断裂失效。

 

３ 结论与建议

该管道发生了由应力腐蚀开裂导致的断裂，产生应力腐蚀失效的原因是污水系统中 Ｈ２Ｓ，Ｃｌ－ ，ＣＯ２ 等腐蚀性物质不断在钢管内壁沉积，与管道内壁发生电化学反应，加速材料腐蚀，管道内壁首先发生腐蚀，从而产生沿晶和穿晶裂纹，裂纹从管道内壁向外扩展，当裂纹扩展到管外壁时发生韧性撕裂，管体zui终断裂失效。

 

管道腐蚀是由 Ｈ２Ｓ，Ｃｌ－ ，ＣＯ２ 等腐蚀性物质引起的，为防止管道再次发生腐蚀，可以在污水进入管道前增加一道工序去除腐蚀性物质或采用耐蚀性更好的管道材料。