16mn无缝钢管油气集输管线弯管失效分析
马宗耀1 ,田　伟1, 2
(1. 西北工业大学航空学院,陕西西安　710072;
2. 中国石油天然气集团公司石油管材研究所,陕西西安　710065)
摘要:用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射分析方法对油气井集输用16Mn无缝钢管弯失效件的显微组织、宏观形貌和产物组成进行
了分析。结果表明,输送介质中的CO2 腐蚀引起弯管内壁变形处出现腐蚀坑,并在输送压力和油、气、固多相流的冲刷作用下使弯
管顶端内表面产生应力腐蚀,从而导致弯管发生破裂。
关键词: 16Mn钢;管线弯管;冲刷腐蚀;失效分析
中图分类号: TE973　　文献标识码: B　　文章编号: 025426051( 2009) 0320089203
Fa ilure ana lysis on 16Mn steel elbow for o il and ga s ga ther2tran sport pipeline
MA Zong2yao1 , TIAN Wei1, 2
(1. School ofAviation,Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi′an Shaanxi 710072, China;
2. Tubular Goods Research Center, China National Petroleum Corporation, Xi′an Shaanxi 710065, China)
Abstract: The microstructure, corrosion morphology and p roducts of failure 16Mn steel elbow for oil and gas gather2transport p ipeline were
investigated by use ofmetallographicmicrocopy, scanning electronmicroscope and X2ray diffraction methods. The results show that, the CO2 in
transportmedia induces corrosion p its in the deformation area of innerwall of the elbow, togetherwith the transport p ressure and the oil2gas2
solid multi phase flow erosion, results in stress corrosion cracking existing in the internal surface of top area of elbow, leading to the breakdown
and failure of the p ipe elbow1
Key words:16Mn steel; transport p ipeline elbow; erosion2corrosion; failure analysis
收稿日期: 2008210228
作者简介:马宗耀(1968—) ,男,陕西西安人,工程师,西北工业大学航
空学院从事腐蚀与防护实验教学与研究工作。联系电话: 13991823743,
E2mail:mzy9116@nwpu1edu1cn
　　石油管中的管柱、油套管柱、集输管线和输送管线
是石油天然气采集、储运系统最为重要的一部分,由于
石油管及集输管线的损伤失效造成的油、气管线破裂
泄露,往往给油气田造成重大经济损失,还会导致爆炸
燃烧,造成伤亡灾难性事故和环境污染等。调查数据
表明[ 1 ] ,石油与石化行业因腐蚀造成的损失尤其严
重,约占产值的6% ,其中国内石油工业因报废所耗费
的石油管材每年价值约100亿元人民币。自20世纪
70年代以来, 16Mn钢因具有良好的力学性能、工艺性
能及焊接性能,被广泛应用于石油、天然气储运和油气
集输管道[ 223 ] 。某油田用油气、混输集输管外径为
<168 mm、壁厚13 mm的16Mn钢埋地弯头,使用5个
多月弯头底部开始出现穿孔、爆裂,大修后不久该处弯
头又发生爆管,不得不对其进行了更换。针对事故频
发这一现象,对失效弯头进行了分析,确定失效类型和
失效原因,为管线安全运行提供依据。
1　试验方法
截取集输管线弯管的失效件进行宏观分析,然后
在失效处即裂源区和距裂源160 mm 处分别截取
15 mm ×15 mm试样,用MEF4M金相显微镜及图像分
析系统对弯管失效件显微组织进行分析。
采用Baird Spectrovac2000 直读光谱仪对集输管
线弯管化学成分进行分析,采用INCA PentaFETx3 型
扫描电镜对失效件内壁进行观察和分析,用JSM25800
高倍电子显微镜分析观察膜微观形貌和产物组成,采
用X射线衍射仪对产物的物相组成进行分析研究。
2　结果与分析
211　组织结构分析
图1所示失效弯头为R = 6D 的大弯弯头,宏观分
析发现,在该弯头外表面圆弧底部有明显的刺漏点,将
弯头剖开后在弯管内壁与刺漏点对应区域表面有同流
体方向一致、有一定宽度的U型沟槽,见图1右图所
示。经光谱分析, 弯头材料的化学成分为(质量分
数, % ) 0118 C、01001 2 O、0120 Si、01014 P、01007 S、
01002 2 Ca、1160 Mn、01023 Cr、01039 Mo、01006 V、
01006 Ti、Fe余量,满足输管线16Mn钢生产要求。
90　第34卷
图1　失效弯头示意图和弯头内部沟槽宏观形貌
Fig11　Schematic of the failure elbow and macroscop ic
morphology of the groove in elbow surface
距离弯头底部200 mm处取样作为基体样,取弯
头顶端腐蚀坑区域试样作为对照样,分别磨制成金相
试样并用3%硝酸酒精溶液侵蚀,试样组织以板条状
马氏体为主,其间有魏氏体组织( GB /T 13298—1991
《金属显微组织检验方法》) ,如图2所示。在弯管底
部沟槽处与基体取样,其夹杂物分析结果为: A015,
B015,D015;晶粒度等级为610级( GB /T 6394—2002
《金属平均晶粒度测定方法》, GB /T 10561—2005《钢
中非金属夹杂物显微评定方法评级图谱》) 。对比分
析可知,该弯管底部沟槽处与基体组织无明显差异。
图2　16Mn钢弯头显微组织
( a)腐蚀坑周围; ( b)基体
Fig12　Microstructure of 16Mn steel elbow at different area
( a) around corrosion p it; ( b)matrix
弯头内壁沟槽上有许多腐蚀坑,在腐蚀坑的底部
出现应力腐蚀裂纹,裂纹分叉较多,且沿弯管厚度方向
向外表面扩展,扩展路径有明显的沿晶扩展形式,表现
出应力腐蚀裂纹的扩展特征,见图3所示。
图3　腐蚀坑底裂纹及其扩展路径
( a)坑底裂纹; ( b)裂纹扩展路径
Fig13　Crack and its expanding path in the corrosion p it
( a) crack under p it; ( b) expanding path of the crack
212　腐蚀产物分析
弯管内壁表面有一层黑色腐蚀产物,弯头顶端内
壁沟槽表面的产物少而疏松,产物下和产物周围有许
多溃疡状腐蚀坑、孔和裂纹,其形貌见图4 ( a)和图4
( b)所示。对产物层成分进行能谱分析,并与其下裂
纹不同扩展长度处和无裂纹点微区进行能谱分析,其
结果同16Mn钢进行对比列于表1。从表1中对比可
以看出, Fe、O、C元素在沟槽处的产物和与两裂纹处
的含量都要高于弯管基体中的含量,尤其是产物中的
C、Fe和O元素含量要远高于基体,说明腐蚀产物在表
面浓度最高,并沿裂纹扩展。
对弯管底部腐蚀产物取样进行X射线衍射分析,
主要为FeCO3、Fe3O4 和SiO2 的混合物,见图5。说明
该弯管的腐蚀类型主要是由CO2 腐蚀生成的FeCO3 ,
Fe3O4 是FeCO3 与空气中的氧反应形成的分解产物。
213　分析讨论
该管线输送介质属油气混输,气体中含有的CO2
腐蚀性气体占气体比例为211% ～2148% ,弯管内壁
在这种腐蚀性环境中其内壁很容易发生CO2 腐蚀[ 4 ] ,
出现腐蚀点、坑;另外由于所输流体压力较高( 711 ～
914 MPa) , 流体中伴有砂砾等固体颗粒, 这种高压
气/液体在弯头处形成湍流,对该处形成强烈的冲击,
第3期马宗耀等: 16Mn钢油气集输管线弯管失效分析91　
图4　腐蚀坑形貌及其下裂纹取点分析位置
( a)内壁腐蚀坑; ( b)表面坑下裂纹; ( c)能谱分析取点位置
Fig14　Morphology of corrosion p its and the point location for crack
( a) inner2wall corrosion p its; ( b) crack under surface; ( c) point location for EDS
表1　腐蚀产物成分能谱分析结果(质量分数, %)
Table 1　Ana lysis results of corrosion product by EDS( wt%)
元素C O Si P S Ca Mn Fe Cu Zn Totals
沟槽内产物38134 27144 0169 1175 0179 0127 0144 28150 0172 1106 100
裂纹1处14174 10102 — — 1137 — 1124 72163 — — 100
裂纹2处10148 11156 — — 1164 — 1133 73184 — — 100
裂纹3处7116 — — — — — 1139 91145 — — 100
16Mn钢基体0118 010012 0120 01014 01007 010022 1160
图5　X射线衍射分析结果
Fig15　X2ray diffraction patterns
附加一个流体对金属的表面剪切力,较高剪切应力能
够把已经形成的腐蚀产物膜剥离并让流体带走,如果
流体中含有固体颗粒和气泡,还会使剪切应力力矩得
到增强,使弯头内壁金属表面冲蚀更加严重[ 528 ] 。在高
速气/液固体的冲刷与腐蚀的共同作用下,在弯管处形
成应力腐蚀,在弯管底部形成了溃疡状腐蚀坑、腐蚀沟
槽,弯管底部腐蚀沟槽坑的底部产生裂纹,裂纹扩展方
向与主应力(切应力)垂直,并产生了大量的分叉,表
现出低应力腐蚀环境下的裂纹特征。裂纹进一步扩
展,最后在弯管底部出现穿孔、爆裂失效。
3　结论及建议
16Mn钢失效弯头主要由输送介质中的CO2 腐蚀
作用所产生的,腐蚀产物主要是FeCO3。该弯管顶端
内表面的腐蚀沟槽,主要是腐蚀介质和高速气液夹杂
固体颗粒冲刷作用所形成;该弯管腐蚀沟槽底部的裂
纹是在腐蚀介质和流体所产生的剪切应力形成的,最
后在弯管底部刺穿。
建议在油气进入该管线前进行脱水和杂质处理,
防止水分及固体颗粒(砂砾)随油气进入管线对其腐
蚀和冲击的影响;另外可采用强度和韧性较好的管线
钢作为输送管线;也可采用双金属复合管(碳钢+不
锈钢内衬)作为腐蚀严重区域的输送管线。