X65煤層氣焊管變形開裂原因分析

趙宏偉

（忻州市綜合檢驗(yàn)檢測中心 忻州 034000）

X65管線鋼通常具有較高的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性，綜合性能優(yōu)良，現(xiàn)場適用性能高，是較為成熟的管線用鋼材［1－2］?，F(xiàn)某石化公司檢修施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)一段煤層氣X65螺旋焊管變形開裂，送檢實(shí)物見圖1～圖3。一段為螺旋埋弧焊管，另一段為直縫埋弧焊管，中間由環(huán)形焊縫焊接而成，需要對該失效焊接鋼管進(jìn)行檢驗(yàn)，并分析找出產(chǎn)生此種失效現(xiàn)象的原因。

圖1 螺旋焊管正面

圖2 樣品側(cè)面

圖3 直縫焊管正面

1 宏觀缺陷分析

變形段焊管外徑約700 mm，螺旋焊管平均壁厚為8.7 mm，直縫焊管平均壁厚11.1 mm。具體失效形式為焊管沿周向外徑擴(kuò)大，并伴有縱向壓縮變形，形貌外觀見圖2。在其周向局部位置產(chǎn)生了圖4所示的斷裂缺陷，斷裂周長約810 mm，見圖5。失效位置位于螺旋焊管一端，距離環(huán)焊縫縱向距離約30 mm位置，見圖6。管線外徑擴(kuò)大后，外表高度包括涂層部分約高出原位置60 mm。從上述焊管變形宏觀缺陷觀察分析無法得到導(dǎo)致變形失效的具體原因信息，特別是裂紋源的信息，決定對焊管進(jìn)行試驗(yàn)分析。

圖4 局部斷裂圖

圖5 斷裂周長

圖6 失效位置

2 化學(xué)分析

對X65螺旋焊管近開裂處定為近處，遠(yuǎn)離開裂處定為遠(yuǎn)處，分別進(jìn)行光譜化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)方法依據(jù)為GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》。其具體結(jié)果見表1。對照GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》規(guī)定的L450MB化學(xué)成分要求，焊管光譜分析結(jié)果符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，且開裂處與遠(yuǎn)離開裂處的成分沒有較為明顯的差異，直縫焊管與螺旋焊管的Ni、Cr成分含量略有差異，但均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表1 各部位化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值 %

3 力學(xué)性能檢測

分別對螺旋焊管和直縫焊管部分進(jìn)行拉伸、沖擊、彎曲、維氏硬度檢驗(yàn)，根據(jù)焊管各部位受力情況和變形實(shí)際，制定力學(xué)性能取樣和試驗(yàn)方案，其中沖擊試驗(yàn)溫度初始定為－10 ℃，后續(xù)試驗(yàn)溫度根據(jù)初始沖擊試驗(yàn)結(jié)果確定。

拉伸性能和夏比沖擊性能是衡量管線性能指標(biāo)的重要參數(shù)，對焊管進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，檢驗(yàn)方法采用GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)》，檢測數(shù)據(jù)見表2。試驗(yàn)過程螺旋焊管平均壁厚為8.7 mm，直縫焊管平均壁厚為11.1 mm，兩者存在明顯差異。拉伸性能表明螺旋焊管屈服強(qiáng)度Rt0.5滿足GB/T 9711—2017規(guī)定的L450MB（450～570 MPa）要求，直縫焊管的屈服強(qiáng)度Rt0.5縱向性能高于L450MB要求，樣品試樣的靠近開裂處的屈服性能滿足要求，遠(yuǎn)離開裂處的屈服性能為L450MB的上限。螺旋焊管和直縫焊管的抗拉強(qiáng)度均滿足L450MB（535～760 MPa）要求，直縫焊管的屈服性能和抗拉性能均明顯高于螺旋焊管的性能。

表2 各部位拉伸性能檢測數(shù)據(jù)

對試樣進(jìn)行溫度區(qū)間為－60～－10 ℃的低溫沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。螺旋焊管靠近開裂處試驗(yàn)數(shù)據(jù)200～220 J，遠(yuǎn)離開裂處試驗(yàn)數(shù)據(jù)230～270 J，直縫焊管靠近開裂處試驗(yàn)數(shù)據(jù)160～180 J，遠(yuǎn)離開裂處試驗(yàn)數(shù)據(jù)170～200 J。螺旋焊管和直縫焊管管體沖擊性能均能滿足GB/T 9711—2017規(guī)定的L450MB管體沖擊性能要求（0 ℃時(shí)，均值為不小于40 J，單值不小于30 J），且沒有出現(xiàn)沖擊異常試樣。

對管壁不同部位的外表、中部、內(nèi)里分別取樣進(jìn)行HV30維氏硬度試驗(yàn)，試樣檢驗(yàn)結(jié)果均不低于193HV30，檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且數(shù)據(jù)沒有顯示存在硬度異常區(qū)域。焊管變形是導(dǎo)致此處管線失效的主要外部特征，因此針對此次事故分析，特別進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 9711—2017規(guī)定，對螺旋焊管和直縫焊管的近裂口處和遠(yuǎn)離裂口處、焊縫處分別進(jìn)行正彎和反彎試驗(yàn)，彎心直徑為50 mm，結(jié)果符合L450MB彎曲標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 金相和儀器化壓痕法檢驗(yàn)

對螺旋焊管和直縫焊管管體外表面、中部、內(nèi)表面分別橫向取樣，進(jìn)行金相觀察，金相分析檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 13299—91《鋼的顯微組織評定方法》。X65管線鋼管體中部的金相組織見圖7和圖8。其中顏色較深的部位是貝氏體或?yàn)獒槧铊F素體，顏色較淺的為粒狀鐵素體和貝氏體的均勻混合組織，鐵素體邊界較為模糊。查閱資料可知該組織結(jié)構(gòu)為X65管線鋼的正常組織，同時(shí)鋼的晶粒大小比較均勻，視野范圍內(nèi)無異常組織出現(xiàn)，顯微觀察中也未發(fā)現(xiàn)有脆性相存在［3－4］。但金相組織表現(xiàn)出輕微的帶狀特征，對管線鋼的性能可能造成不良影響，但是否是管線鋼變形原因之一仍需要后續(xù)分析。對螺旋焊管和直縫焊管分別取樣進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，夾雜物檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》，夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見表3，檢驗(yàn)結(jié)果符合產(chǎn)品要求。

圖7 螺旋焊管組織圖

圖8 直縫焊管組織圖

表3 夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

環(huán)焊縫裂開處和裂縫末端分別取金相組織試樣，環(huán)焊縫開裂處縱向顯微觀察可發(fā)現(xiàn)試樣外表裂紋長度為2.2 mm，距離斷口長度約6 mm，見圖9。環(huán)焊縫裂縫末端縱向存在深度為0.2 mm，長度為0.3 mm的外表面裂口，見圖10。金相組織檢驗(yàn)表明開裂處產(chǎn)生較大的塑性變形，使得開裂附近的母材產(chǎn)生了裂紋，變形范圍很大，在斷裂周長810 mm外依然發(fā)現(xiàn)母材上存在裂口。

圖9 環(huán)焊縫開裂處

圖10 環(huán)焊縫裂縫末端

儀器化壓痕法檢驗(yàn)技術(shù)可以在不破壞試樣的條件下，方便、快捷、精確地檢測工件的主要力學(xué)指標(biāo)［5］。本案例采用壓痕儀對環(huán)焊縫、熱影響區(qū)、母材分別進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)示意圖如圖11所示，測量抗拉強(qiáng)度的結(jié)果見表4。從儀器化壓痕測量的6個(gè)點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度看，母材、熱影響區(qū)和焊縫的抗拉強(qiáng)度的關(guān)系正常。熱影響區(qū)與母材成分相同，但是由于焊接過程熱量可能造成熱影響區(qū)晶粒長大而使抗拉強(qiáng)度降低。焊縫2點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度有較大差異，可能因?yàn)镠3對應(yīng)的位置為后焊的第二道焊接，在進(jìn)行第二道焊過程中，實(shí)際上對第一道焊的H4位置進(jìn)行了回火處理，所以H3位置的抗拉強(qiáng)度高于H4位置對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度。

圖11 儀器化壓痕位置示意圖

表4 儀器化壓痕法測量焊縫抗拉強(qiáng)度結(jié)果

5 失效原因分析

直縫焊管和螺旋焊管的成分和各項(xiàng)力學(xué)性能均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，問題焦點(diǎn)在于金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的裂紋是否是導(dǎo)致管線失效的原因。試驗(yàn)過程中有以下幾點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：1）外觀檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)塑性變形范圍較大；2）直縫焊管厚度大于螺旋焊管厚度；3）直縫焊管屈服強(qiáng)度明顯大于螺旋焊管屈服強(qiáng)度，螺旋焊管伸長率大于直縫焊管；4）金相檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，塑性變形區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較多細(xì)小裂紋，斷裂周長外仍然存在顯微裂口。

采用排除法并結(jié)合以上判斷可推測如下結(jié)果：在承受同樣縱向巨大壓力條件下，直縫焊管仍然保持了原設(shè)計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)，螺旋焊管靠近直縫焊管的區(qū)域由于管壁厚度不夠和材料屈服強(qiáng)度不足，首先發(fā)生了材料失穩(wěn)現(xiàn)象，失穩(wěn)變形量超過了螺旋焊管材料的承受能力后發(fā)生斷裂。因此可判定金相照片上看到的裂紋，是塑性變形后導(dǎo)致的失效結(jié)果，而不是管道變形問題的起因。

正常使用條件下，地下固定焊管不應(yīng)該承受可能導(dǎo)致塑性變形的巨大軸向壓力，但故障焊管卻受到了導(dǎo)致變形如此大的軸向壓力，軸向壓力的出現(xiàn)是此次事故調(diào)查需重點(diǎn)關(guān)注的事件，其需要通過現(xiàn)場調(diào)查解決。

6 結(jié)論

1）直縫焊管與螺旋焊管的成分有局部差異。

2）直縫焊管與螺旋焊管的沖擊、硬度、彎曲、夾雜物和組織檢驗(yàn)結(jié)果均正常。

3）從儀器化壓痕法測量焊縫、熱影響區(qū)和母材的抗拉強(qiáng)度看，各位置的抗拉強(qiáng)度大小關(guān)系合理，說明焊接工藝正常，造成這次焊管失效的原因不在于焊接工藝。

4）直縫焊管與螺旋焊管的壁厚差異約有2.4 mm，且直縫焊管的抗拉性能比螺旋焊管的抗拉性能高出了68 MPa（拉伸試驗(yàn)直縫焊管與螺旋焊管5處取樣位置抗拉強(qiáng)度平均值差值），所以失效發(fā)生在螺旋焊管上是造成失效現(xiàn)象的內(nèi)因，產(chǎn)生這種失效的原因是受到了巨大的軸向壓力作用。

5）后經(jīng)過現(xiàn)場確認(rèn)，施工現(xiàn)場發(fā)生過山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害，管線變形原因可總結(jié)為山體滑坡造成施工現(xiàn)場公路填方土蠕動變形，蠕動變形對公路附近管道造成巨大軸向推力，當(dāng)此軸向外力超過管道本身的屈曲載荷時(shí)，進(jìn)而造成管道失穩(wěn)變形。