成品油輸送用X60感應(yīng)加熱彎管開裂原因分析

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(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；3.中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸分公司銀川管理處，銀川 750001)

0 引言

在某成品油管道工程全長20 km的管道上進(jìn)行使用前的水試壓工作時(shí)，當(dāng)壓力升至11.9 MPa后開始穩(wěn)壓，在前4 h穩(wěn)壓過程中施工單位發(fā)現(xiàn)壓力表存在少量壓降，但并不明顯，隨后在24 h的嚴(yán)密性試壓過程中總共壓降為0.6 MPa，之后每4 h約產(chǎn)生0.1 MPa壓降，最終確定該段管道存在漏壓。經(jīng)過90多天的不斷補(bǔ)壓、分段、開挖疑似點(diǎn)，最終將泄漏點(diǎn)找到，泄漏點(diǎn)位于某一感應(yīng)加熱彎管彎曲段外弧側(cè)，該彎管規(guī)格?457 mm×9.5 mm，材料為X60，彎曲半徑為6D，母管為高頻電阻焊管，生產(chǎn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行CDP-S-OGP-PL-016-2011-2《油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管通用技術(shù)條件》。本文對該彎管開裂原因進(jìn)行分析。

1 宏觀檢驗(yàn)

圖1為泄漏彎管的宏觀照片，彎管總長約2 700 mm，泄漏處距管線環(huán)焊縫約800 mm，位于彎曲段外弧側(cè)。彎管泄漏處存在一條長度為23 mm的軸向裂紋，以及由許多細(xì)小的裂紋組成的長度約100 mm環(huán)向裂紋群，如圖2所示。

圖1 開裂彎管照片

圖2 彎管表面環(huán)向及軸向裂紋照片

2 理化性能檢驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對該彎管的直管段和彎曲段管體進(jìn)行了成分分析、力學(xué)性能、金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容及取樣部位見表1。所有理化檢驗(yàn)試樣均在彎管未開裂部位取樣。

表1 理化性能檢驗(yàn)取樣位置及檢驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 化學(xué)成分分析

利用ARL 4460直讀光譜儀，在直管段管體上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 管體化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

對彎管直管段及彎曲段進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)，維氏硬度試驗(yàn)。彎曲段內(nèi)、外弧側(cè)拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性及維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果均高于直管段試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。其中，內(nèi)、外弧側(cè)屈服強(qiáng)度(標(biāo)準(zhǔn)要求：屈服強(qiáng)度415～565 MPa)及維氏硬度(標(biāo)準(zhǔn)要求：≤255 HV10)試驗(yàn)結(jié)果均超過標(biāo)準(zhǔn)上限要求。

2.3 金相分析

利用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對彎管母材不同部位試樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果如表3所示。

圖3 直管段與彎曲段橫向性能對比

編號非金屬夾雜物A薄厚B薄厚C薄厚D薄厚金相組織晶粒度1#0.500.50000.51.0B粒+PF+P(見圖4)11.6級2#0.500.50001.01.0B粒(見圖5)7.0級3#0.500.50001.01.0B粒(見圖5)7.0級

注:B粒-粒狀貝氏體；PF-多邊形鐵素體；P-珠光體;標(biāo)準(zhǔn)要求晶粒度優(yōu)于6級

圖4 直管段金相組織

圖5 彎曲段內(nèi)、外弧側(cè)金相組織

3 彎管開裂部位檢驗(yàn)分析

對彎管開裂區(qū)域進(jìn)行解剖，通過宏觀檢查、金相分析、掃描電鏡以及能譜分析等手段對彎管開裂部位進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.1 解剖檢驗(yàn)

如圖6所示，在彎管開裂處截取A(軸向裂紋)、B(環(huán)向裂紋)、C(環(huán)向裂紋)及AB四個(gè)試樣，其中A，B，C試樣垂直于表面裂紋截取，AB試樣在表面未開裂處截取。試樣的剖面形態(tài)如圖7所示。彎管開裂處管體內(nèi)部存在裂紋，如圖7(a)，(b)所示；此外，在某些剖面中心鑲嵌體積較大的塊狀異物，且伴隨有大小不等的空腔，如圖7(c)，(d)所示。

注：其中a，e，f處為裂紋橫切面

圖6 試樣取樣示意

(a)試樣B的縱向剖面

(b)試樣B的橫向剖面

(c)試樣AB的橫向剖面1

(d)試樣AB的橫向剖面2

圖7 解剖檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 金相檢驗(yàn)

對A，B，C，AB四個(gè)試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，其中，試樣A，AB檢驗(yàn)面為橫向截面，分別為圖6中的c，e面；B，C試樣檢驗(yàn)面為縱向截面，分別為圖6中的a，f面。檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 裂紋處試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果

由表4及圖8可以看出，彎管裂紋處的金相組織均為粗大的貝氏體組織。在距裂紋180°位置(彎管內(nèi)弧側(cè))取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該處的金相組織形態(tài)與裂紋處相同。

圖8 裂紋處金相組織

3.3 電鏡與能譜分析

A試樣裂紋開裂面經(jīng)清洗后，在掃描電鏡上進(jìn)行觀察，其斷口形貌為沿晶斷口，開裂面上可見二次裂紋，如圖9所示。

圖9 A試樣裂紋斷口形貌

對A試樣斷口面及AB試樣中鑲嵌的塊狀異物進(jìn)行能譜分析，分析位置及能譜圖如圖10，11所示。由能譜分析可知，存在Fe，O，Si，K，Ca，Al，Mg等元素。

圖10 A試樣開裂面能譜分析位置及圖譜

圖11 AB試樣中鑲嵌物能譜分析位置及圖譜

4 分析與討論

依據(jù)彎管標(biāo)準(zhǔn)CDP-S-OGP-PL-016-2011-2《油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管通用技術(shù)條件》對該失效熱煨彎管的化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。由檢驗(yàn)結(jié)果可知，該彎管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求；彎曲段內(nèi)、外弧側(cè)屈服強(qiáng)度、維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果超過標(biāo)準(zhǔn)上限要求。由母材性能與彎曲段性能的對比可知，該彎管煨制后，其強(qiáng)度、硬度及韌性均有所提高(見圖3)，這說明該彎管的加工工藝不合適。一般，彎管的成型分為兩種，一種是冷加工成型，之后進(jìn)行回火熱處理，這種成型工藝一般適用于小口徑彎管的加工；另一種是感應(yīng)加熱成型，這種工藝是加熱與成型同時(shí)進(jìn)行，成型后再進(jìn)行回火熱處理，通常情況，感應(yīng)加熱溫度在950 ℃左右，冷卻介質(zhì)為水，或者為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鹽水，回火溫度在550 ℃左右，之后在空氣中冷卻，這種成型工藝一般適用于大口徑彎管的加工，文中的失效樣品即為感應(yīng)加熱成型彎管。

從金相組織來看，直管段的組織為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體，晶粒度為11.6級；彎曲段組織為粒狀貝氏體，晶粒度為7.0級，而裂紋處的組織為粗大板條狀貝氏體組織，上述組織是管線鋼在二次加熱時(shí)、在不同的奧氏體化溫度下產(chǎn)生的。根據(jù)熱煨彎管的加工工藝可知，在彎管煨制過程中，直管段處在感應(yīng)線圈之外，因而直管段經(jīng)歷的熱過程是控扎控冷管線鋼的一個(gè)單一的回火過程[1]，而未進(jìn)行奧氏體化溫度以上的熱處理，因此其組織特征和晶粒平均截距保留了熱軋態(tài)母管的特征。

彎曲段熱處理狀態(tài)是材料加熱溫度快速上升到奧氏體化溫度以上某個(gè)溫度后，進(jìn)行噴水冷卻。相關(guān)研究指出[1-6]，當(dāng)其加熱溫度為950～1 050 ℃時(shí)，管線鋼的組織形態(tài)為粒狀貝氏體，此時(shí)的鐵素體板條尺寸較小，板條束之間相互交錯(cuò)、呈多位相分布，板條間及鐵素體基體上的M-A島狀組織尺寸減小且呈粒狀分布(如圖5所示)，因此，粒狀貝氏體是通過細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化三種方式共同提高管線鋼的強(qiáng)韌性。一般認(rèn)為僅有細(xì)化晶?？梢栽黾愉摰膹?qiáng)韌性，然而通過控軋、控冷工藝，以相變強(qiáng)化方式得到低碳粒狀貝氏體組織也可以取得同樣的效果[7]，這就是該彎管彎曲段強(qiáng)韌性提高的根本原因。

當(dāng)加熱溫度高于1 050 ℃時(shí)[1-5]，管線鋼顯微組織可形成貝氏體鐵素體，這種組織呈板條狀由晶界向晶內(nèi)平行生長，其板條可橫穿整個(gè)奧氏體晶粒，不同位向的板條束將奧氏體分割成不同的部分，使原奧氏體晶界清晰可見(如圖8所示)。隨著加熱溫度的升高，奧氏體中的合金元素充分固溶，在隨后的冷卻過程中，可觀察到細(xì)小的碳、氮化合物析出。然而,由于高的加熱溫度促使晶粒粗大，因而材料的強(qiáng)韌性降低，外弧側(cè)在拉應(yīng)力的作用下可能開裂。

經(jīng)解剖檢驗(yàn)、掃描電鏡檢驗(yàn)及能譜分析，發(fā)現(xiàn)位于彎曲段外弧側(cè)的泄漏部位有橫向、縱向裂紋及鑲嵌于內(nèi)部的異物存在，裂紋內(nèi)及該異物存在Fe，O，Si，K，Ca，Al，Mg等元素，且裂紋邊緣局部有脫碳現(xiàn)象。上述元素均為保護(hù)渣成分元素[8-9]。因?yàn)殇撹F連鑄保護(hù)渣一般由3部分組成：基料、助溶劑、熔速調(diào)節(jié)劑。常用的保護(hù)渣基料的三元系有CaO-SiO2-Al2O3系、SiO2-Al2O3-CaF2系、SiO2-Al2O3-Na2O系，其中第一類應(yīng)用最為普遍。在基料中加入一定量的溶劑，主要目的是為了降低保護(hù)渣熔點(diǎn)和粘度。常用的保護(hù)渣助溶劑有CaF2，Li2O，MgO，MnO，K2O，B2O3和FexOy等。由此可以推論，該異物為煉鋼時(shí)的保護(hù)渣不慎被卷入鋼液中所致。鋼坯中一旦存在夾渣，就會(huì)破壞材料的連續(xù)性，并形成局部應(yīng)力集中，在隨后的板卷軋制、制管及熱煨等形變加工中，夾渣就會(huì)成為彎管開裂的裂紋源，帶有裂紋的彎管在后續(xù)的現(xiàn)場水壓試驗(yàn)過程中，在內(nèi)壓及應(yīng)力集中的共同作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致泄漏。

此外，按照彎管技術(shù)規(guī)格的要求，在彎管出廠之前應(yīng)對其進(jìn)行無損探傷檢驗(yàn)，但從前面的檢驗(yàn)及分析結(jié)果可以看出，彎管上的裂紋在彎管煨制前或煨制過程中已經(jīng)出現(xiàn)，煨制完成后的UT及MT無損檢測未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致缺陷漏檢，使得有缺陷產(chǎn)品流入施工安裝現(xiàn)場。

5 結(jié)論

(1)由于彎管熱加工工藝不當(dāng)，使得鋼管拉伸性能、維氏硬度超過標(biāo)準(zhǔn)上限要求。

(2)在彎管熱煨制過程中，可能由于種種原因(如煨制過程中的停頓等)使得裂紋部位溫度過高，從而促使該處的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮陌鍡l狀貝氏體，其力學(xué)性能惡化，在彎管彎曲時(shí)，外弧側(cè)在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生橫向開裂。

(3)彎管彎曲段外弧側(cè)母材中鑲嵌的夾渣缺陷，破壞材料的連續(xù)性，并形成局部應(yīng)力集中，在彎管母管成型時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致縱向開裂，這也可能是彎管彎曲時(shí)橫向裂紋產(chǎn)生的誘因之一。

(4)彎管加工完成后，出廠前的無損探傷漏檢，導(dǎo)致了有缺陷彎管流入施工安裝現(xiàn)場。