管線管外壁不規(guī)則凹坑產(chǎn)生原因分析

劉 鵬，尚漢青，劉 鋒，張春婉，呂拴錄，劉 虎，謝仲英，胡 楠

(1.渤海石油管理局遼東作業(yè)公司 天津 300452； 2. 西安摩爾石油工程實驗室 陜西 西安 710065；3. 中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 102249)

0 引 言

某油田采購的Φ168.0 mm×5.0 mm L245N管線管在防腐處理噴砂之后，在189根管線管中發(fā)現(xiàn)27根管線管外表面存在損傷問題。其中，不規(guī)則凹坑所占比例最高，其深度為0.65～1.75 mm。GB/T 9711—2017[1]標(biāo)準(zhǔn)第9.10.1.1條規(guī)定，所有鋼管在交貨時應(yīng)無缺陷；第9.10.7條規(guī)定，深度大于0.625 mm(0.125 mm×5 mm)，影響最小允許壁厚的缺欠應(yīng)判為缺陷。依據(jù)GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該批管線管不合格。

管線管存在的缺陷會降低其承載能力，導(dǎo)致失效事故[2-5]。為了找出該批Ф168.0 mm×5.0 mm L245N管線管外壁不規(guī)則凹坑產(chǎn)生的真正原因，并采取有效的預(yù)防措施，本文對該批管線管隨機(jī)抽樣進(jìn)行了外觀檢查和試驗檢測，并對檢查發(fā)現(xiàn)的不規(guī)則凹坑產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

1 隨機(jī)抽樣外觀檢查

對油田退貨的管線管隨機(jī)抽樣檢查，發(fā)現(xiàn)49號管線管外壁在同一母線附近存在5處不規(guī)則凹坑。將含49號管線管的該捆10根管線管進(jìn)行除銹之后進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果見表1及圖1。

表1 含49號管線管的該捆10根管線管外觀檢查結(jié)果

圖1 49號管線管0°～90°外表面不規(guī)則凹坑形貌

宏觀檢查結(jié)果表明，該捆10根管線管中外表面存在機(jī)械損傷的管線管2根，占20%；外表面存在不規(guī)則凹坑的管線管5根，占50%。外表面存在的不規(guī)則凹坑里邊顏色與管線管外壁顏色相同，具有在軋管過程中產(chǎn)生的特征。

2 理化檢驗

2.1 凹坑金相分析

在49號管線管第3個不規(guī)則凹坑(圖1(c))位置取縱向試樣，試樣尺寸見表2，金相分析結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 截面1凹坑底部表層組織及晶界氧化裂紋形貌

圖3 截面2凹坑底部表層組織及晶界氧化裂紋形貌

圖4 外壁脫碳層、晶界氧化裂紋及基體組織

表2 49號管線管凹坑深度及壁厚測定結(jié)果

1)截面1凹坑深度為0.262 mm。凹坑底部存在脫碳層，脫碳層深度為0.110～0.112 mm；凹坑底部脫碳層存在晶界氧化裂紋，晶界氧化裂紋深度為0.029～0.030 mm。正常外壁存在凹坑和脫碳層，凹坑深度是0.029 mm，脫碳層深度與凹坑底部類同。

2)截面2凹坑深度為0.573 mm。凹坑表面存在脫碳層，脫碳層深度為0.094～0.095 mm；脫碳層里存在沿晶分布的氧化裂紋，晶界氧化裂紋深度為0.011～0.019 mm。

3)正常外壁存在凹坑和脫碳層，脫碳層里存在晶界氧化裂紋。凹坑深度為0.024～0.031 mm，脫碳層最大深度0.144 mm，晶界氧化裂紋深度為0.018～0.029 mm。

從表2及圖3～圖5可知，凹坑最大深度位置剩余壁厚符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。管線管凹坑底部組織與正常外壁組織基本相同，但凹坑位置脫碳層深度小于正常外壁脫碳層深度。這說明管線管外壁不規(guī)則凹坑是在軋管過程中由于粘渣脫落后產(chǎn)生的。也即管線管外壁不規(guī)則凹坑是在工廠熱加工過程中產(chǎn)生的。

2.2 化學(xué)成分分析

在49號管線管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果符合工廠規(guī)定。

樣品化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.3 力學(xué)性能試驗結(jié)果

在49號管線管上沿著縱向取寬度為25 mm、標(biāo)距為50 mm板狀拉伸試樣進(jìn)行拉伸性能試驗，試驗結(jié)果符合GB/T 9711—2017規(guī)定，見表4。

表4 拉伸性能試驗結(jié)果

3 管線管外表面不規(guī)則凹坑產(chǎn)生原因分析

試驗結(jié)果表明，管線管外表面不規(guī)則凹坑是在工廠熱加工過程中產(chǎn)生的。

Φ168.0 mm×5.0 mm L245N管線管軋管主要熱加工工序為：管坯加熱→穿孔→斜軋→定徑矯直。那么，管線管外表面不規(guī)則凹坑究竟是在熱加工過程中哪個工序產(chǎn)生的？下面分別予以分析。

3.1 在穿孔過程導(dǎo)致管線管外壁產(chǎn)生不規(guī)則凹坑的可能性

該批管線管采用菌式穿孔機(jī)穿孔，在穿孔過程中，頂頭穿透實心圓柱管坯，管坯外壁依靠2個上下分布的導(dǎo)板和2個左右分布的斜軋輥支撐軋制，如圖5所示。

圖5 穿孔工序斜軋輥

實際穿孔之后管線管外壁會形成明顯的螺旋線痕跡，而不會形成沿著母線方向分布的印痕。如果上下分布的2個導(dǎo)板和斜軋輥粘渣，或者損傷，管線管外壁缺陷也只能沿著螺旋線分布。實際管線管外壁存在的不規(guī)則凹坑基本沿著母線方向分布，而沒有沿著螺旋線分布，說明在穿孔過程導(dǎo)致管線管外壁產(chǎn)生不規(guī)則凹坑的可能性不存在。

另外，如果在穿孔過程中管坯外壁損傷，在后續(xù)定徑過程中管坯外壁損傷位置會產(chǎn)生變形或折疊裂紋。實際管線管外壁存在的不規(guī)則凹坑并沒有變形，凹坑底部也沒有產(chǎn)生折疊裂紋。這進(jìn)一步說明在穿孔過程中管線管外壁產(chǎn)生不規(guī)則凹坑的可能性不存在。

3.2 在斜軋過程導(dǎo)致管線管外壁產(chǎn)生不規(guī)則凹坑的可能性

219 mm機(jī)組采用斜軋，在斜軋過程中，管坯外壁依靠左右分布的2個斜軋輥和上下分布的2個直軋導(dǎo)盤支撐軋制，管坯內(nèi)壁靠芯棒支撐。

如果斜軋輥和導(dǎo)盤粘渣，或者損傷，會在管坯外壁沿著螺旋線造成損傷。實際管線管外壁存在的不規(guī)則凹坑基本沿著母線方向分布，而沒有沿著螺旋線分布，也沒有產(chǎn)生折疊裂紋。這說明在斜軋過程管線管外壁產(chǎn)生不規(guī)則凹坑的可能性不存在。

3.3 在定徑過程導(dǎo)致管線管外壁產(chǎn)生不規(guī)則凹坑的可能性

219 mm機(jī)組采用直軋定徑。在直軋定徑過程中，管坯外壁依靠12組直軋輥定徑。每組3輥，每輥含120°內(nèi)圓弧，3棍構(gòu)成360°圓弧與管子外壁接觸定徑，每組定徑軋輥軸向距離約400 mm，各組軋輥周向相隔60°，如圖6所示。如果直軋定徑輥粘渣，或者損傷，會在管坯外壁沿著母線方向造成損傷。留在管線管外壁的粘渣脫落會形成不規(guī)則凹坑，留在定徑輥表面的粘渣也會在管線管外壁產(chǎn)生不規(guī)則凹坑。實際管線管外壁存在的不規(guī)則凹坑和粗糙表面或麻面基本沿著母線方向分布。這說明管線管外壁不規(guī)則凹坑和粗糙表面或麻面是在直軋定徑過程產(chǎn)生的。

圖6 用過的一組直軋定徑3軋輥

4 改進(jìn)措施

依據(jù)失效分析結(jié)論，工廠采取了如下預(yù)防措施。

1)熱軋分廠對不合理設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，加強(qiáng)生產(chǎn)過程控制，確保工模具選用質(zhì)量，軋制過程中保證軋輥表面不粘渣、不損傷。

2)質(zhì)檢站在人工檢查和無損探傷環(huán)節(jié)提高檢驗要求，將探傷標(biāo)樣刻槽深度從12.5%t提高到5%t。

工廠采取以上措施之后，管線管表面質(zhì)量大幅度提高，徹底解決了上述質(zhì)量問題。

5 結(jié) 論

1)從該批管線管中抽檢的管線管外壁不規(guī)則凹坑和粗糙表面或麻面基本沿著外壁母線方向分布。

2)依據(jù)抽樣試驗分析結(jié)果，管線管外壁不規(guī)則凹坑和粗糙表面或麻面是在工廠定徑過程產(chǎn)生的，其原因與定徑軋輥粘渣或損傷有關(guān)。

3)依據(jù)試驗分析結(jié)論，工廠及時采取了預(yù)防措施，大幅度提高了管線管表面質(zhì)量，徹底解決了上述質(zhì)量問題。