东黄输油管道桥涵墙体外管段破损原因

东黄输油管道桥涵墙体外管段破损原因

赵静

华东管道设计研究院有限公司

摘要：本文主要以东黄输油管道黄岛经济开发区秦皇岛路桥涵东侧墙体外管段发生大面积腐蚀，并伴随局部蚀坑蚀洞裂纹泄油问题进行了调查分析，证明桥涵东侧墙体外管段蚀坑蚀洞裂纹为应力腐蚀疲劳裂纹，并提出了防范措施。 关键词:输油管道 桥涵 腐蚀 应力 裂纹

1、前言

长输管道由于工作的特定条件和敷设环境，使管道在输油运行时将会因管内油流压力，温度变化等因素，而引起轴向应力，导致管道的轴向位移。

为了便于输油管道在大型桥涵内架空穿过，通常在桥涵内设置钢筋混凝土支墩用来支撑管道，输油管道通过固定在支墩上的金属托架可沿着其轴向移动。从东营首站到黄岛油库的东黄输油管道，在黄岛经济开发区的秦皇岛路桥涵长30米、宽18米、高3.29米的南半幅顶板下架空与排水暗渠交叉穿过。桥涵内设置3座支墩，管道通过支墩孔洞穿越暗渠，管道穿过桥涵两侧墙壁部位采用细石混凝土进行封堵，以保证管道轴向位移时的自由伸缩。2013年11月22日通过数据采集与监视系统控制系统发现东黄输油管道黄岛油库出站压力下降，判断管道泄漏。经过排查、开挖泄漏点后确定泄漏点为秦皇岛路桥涵东侧墙体外15厘米处管道正下部位置。由于现场抢修作业时发生爆炸导致排水暗渠和海上泄漏的原油燃烧。事后经清理检查，泄漏点管段腐蚀极为严重，在已经基本脱落的沥青防腐层的金属表面呈现大面积腐蚀坑。用超声波测厚仪来测量，腐蚀坑部位的壁厚大约在3～7mm之间，腐蚀坑洞裂纹泄漏部位均在桥涵东侧墙体外边缘处管道底部焊缝附近。由于泄漏的油气爆炸发生在城市人口稠密区，不仅造成重大的环境污染和严重的人员伤亡以及巨大的经济损失外，给企业的声誉带来极大的负面影响。因此，做好输油管道腐蚀防护措施不仅能够增加管道的使用寿命和企业的经济效益，而且对于保护管道周边环境和人民群众生命财产具有重大的现实意义。

2.检测结果

2.1外观情况

从外观上看，东黄输油管道泄漏处管段原涂刷的防腐沥青漆已经基本脱落，在已经暴露的管壁基体表面上呈现出大面积蜂窝状蚀点和蚀坑。管段腐蚀的基本特点是管道的下部比上部重，这与管段下部同桥涵东侧墙体轴向伸缩接触疲劳和地下腐蚀介质的浓度分布有关。此外，管段焊缝附近底部腐蚀较严重部位，以蚀洞为中心向四周放射性开裂，这也是管内原油泄漏的出口。而管段伸向埋地部分的管道加强防腐层完好，挖开加强防腐层，管道外壁基本上无任何腐蚀现象。

2.2裂纹的形态和位置

东黄输油管道泄漏处管段上裂纹的特点是：裂纹平直，短而粗，尖端较钝，分支较多，呈根须状，它与纯机械力造成的裂纹在形态上完全不同；裂纹内有腐蚀产物，这是较典型的应力腐蚀疲劳裂纹特征。以实际观察可见，裂纹产生于管段焊缝附近，并源于腐蚀洞处，由于管段的受力方向和组织结构分布所致，产生长短不一和互不平行的放射性裂纹。

由以上特征可以说明，应力腐蚀疲劳裂纹往往是管段在使用期间产生的一种延时破坏形式，也就是说，产生应力腐蚀疲劳裂纹有一个过程，这个过程大致是：首先在金属表面产生腐蚀坑，腐蚀坑的进一步扩展并且达到一定的光锐程度（蚀洞）时，形成裂纹核心，接着在应力和腐蚀介质的联合作用下，产生应力腐蚀疲劳裂纹。产生这种裂纹的应力往往低于材料的屈服极限，而裂纹处的应力又往往比未裂纹处大。如果裂纹继续发展并扩展到一定程度时（临界状态），管段就发生快速断裂。

3、管段破损原因分析

3.1管段受力分析

3.1.1正常应力

在正常情况下，管段承受以下几种应力：

①重力应力。计算表明，管道及覆土的重量在管段上产生的剪切应力是很小的，仅为13.08MPa，管道及覆土的重量在管段上产生的径向压应力也仅为10.75MPa。

②原油流动在管段产生的应力。管内流动的原油因其粘度而对管道内壁形成摩擦阻力，在摩擦阻力的作用下，使管段两端埋地部分由于轴向位移被限制而产生轴向拉（压）应力。由于管内的油流温度一般较高，所以该应力一般也不大。

③油流工作压力在管段上产生的应力。油流工作压力对管壁的作用是由三部分组成的，一是由于油流工作压力沿着管壁的径向而引起的应力，其值约为5.65MPa.二是油流工作压力沿着管壁的园周方向而引起的切向应力。当油流工作压力为4.2MPa时，计算表明，油流工作压力在管段上所引起的切向应力为135MPa。三是切向应力的作用使管道在轴向也要引起变形，对于直线埋土管道，在进入土壤一定距离后被土壤挤压，通过土壤摩擦力的积累而不能产生轴向位移。在内压作用下轴向因不能自由收缩而产生波桑应力（轴向压力）。计算表明，轴向波桑应力为55MPa。

3.1.2非正常应力

①温差应力。这是由于管道敷设时埋土温度与管道运行或者停止运行的温度产生差异时，钢制管道由于温差而产生的热胀冷缩变形。管道的轴向伸缩往往受到周围土壤摩擦力的限制，使其内产生拉或压的轴向温差应力，其数值为208MPa。

②集中应力。观察发现，在管段的两端底部的蚀坑或蚀洞处有明显的放射性裂纹，这是由于管段外壁表面的蚀坑或蚀洞引起截面尺寸突变，促成应力集中。在应力集中的局部，更易形成疲劳裂纹，使管段的持久极限显著降低，计算表明，发生应力集中截面上的最大轴向工作应力为350MPa。已经达到16锰钢管道材料的屈服极限，因此，管段被腐蚀成蚀坑和蚀洞，特别是大面积蚀坑是产生较大应力，导致管道裂纹乃至断裂的主要原因。

综上所述，管段所承受的应力是正常应力与非正常应力的叠加。在升温、保温及降温过程中应力要发生松弛或增胀，在短时间内应力将随着时间急剧降低或者上升，同时伴随着输送压力的变化，管段处于较大的交变应力状态，则将促成疲劳裂纹的产生和扩展，这是管段大多在腐蚀深度和范围达到一定程度时发生裂纹并进一步扩展的原因之一。

3.2管段腐蚀分析

管段与其两侧埋地管道的外管壁均采用塑料布缠绕沥青防腐，管段单纯用沥青防腐。管段产生大面积蚀坑的原因主要是，在地下腐蚀介质的侵蚀、温差变化和管道变形的条件下，单纯采用沥青防腐比塑料布缠绕沥青防腐易老化和龟裂，沥青防腐层经过缠绕塑料布后，相当于在防腐沥青外表面覆盖了保护层，从而减缓了沥青的老化时间。观察发现，扒开管段外壁几乎无任何腐蚀，而无塑料布缠绕的管段沥青防腐层几乎全部脱落，管段外壁已被腐蚀的蚀痕斑斑。

钢质管道的腐蚀是一种电化学过程。若产生腐蚀过程，金属表面一定存在电极电位不同的区域。这些区域必须是电连接，并且与同一电解质接触。管段与固定在支墩上滑动托架与管段间的绝缘橡胶垫已老化错位，失去了电绝缘作用，促成腐蚀的产生。另外，管段相邻区域间的电化学电位差可能是由于合金元素的不均匀分布或金属结构中的杂质所致。腐蚀也可能因焊缝金属、热影响区及母材金属之间的差异而产生。而管段表面区域之间电解质的物理性制裁和化学性质也影响金属表面阴极区的位置。管段下部区域湿度大氧浓度较小，金属电极电位低，使腐蚀电池的阴极遭受腐蚀。管段又处在含有溶解盐的土壤中，以致使土壤电解质电流传递能力提高，从而加快了管段的腐蚀速率。

4、防止管段破损泄漏的措施

通过对东黄输油管道黄岛经济开发区秦皇岛路桥涵东侧墙体外泄漏处管段的应力腐蚀疲劳裂纹的调查及原因分析，归纳起来，主要原因是管段的防腐及防水处理不当和施工质量不高而引起的。为了提高该管段的使用寿命，应采取以下措施：

⑴ 按照各种介质与应用的情况，选择合适的金属材料制造输油管道。应用涂层与非金属材料作衬里来保护内壁。

⑵ 采用熔结环氧粉末防护层、石油加强级沥青防护层、煤焦油的瓷漆防腐蚀层等。以提高外壁防腐层的使用寿命。

⑶ 管道与支墩之间要有良好的电绝缘，是防止腐蚀，保证管道达到有效的阴极保护所必需的。

⑷ 16锰钢屈服强度较高，回弹力大，高温下速冷会产生淬硬组织。在气温较低焊接时，要采取预热措施。

⑸ 定期对管段防腐层破损情况进行检测，发现破损后应及时修补。

作者简介：赵静，女，1986年12月生，本科学历，西安石油大学过程装备与控制工程专业毕业，工程师职称，现从事石油化工工程管理及储罐设计工作。TEL：18552921078