王修云 王晶 邢云穎 路民旭

安科工程技術(shù)研究院（北京）有限公司

 

摘  要： 總結了兩個(gè)熱煨彎管開(kāi)裂失效的典型案例，通過(guò)管材材質(zhì)測試，斷口觀(guān)察結合服役環(huán)境和受力分析，對失效彎管的開(kāi)裂進(jìn)行了根源性分析。分析結果表明，兩個(gè)彎管的材質(zhì)均不滿(mǎn)足標準要求，受彎制工藝的影響，組織發(fā)生變化，硬度和強度較原始材料大幅提高，在環(huán)境中內部/外部氫及局部應力的影響下，發(fā)生氫致開(kāi)裂，并在應力的作用下繼續擴展失效。提出對管道運行過(guò)程中出現的開(kāi)裂問(wèn)題，有針對性的展開(kāi)根源性分析，找出明確的開(kāi)裂原因，為管道完整性管理和事故預防提供依據。

關(guān)鍵詞： 彎管；開(kāi)裂；失效分析；氫致開(kāi)裂

 

油氣輸送管道失效可能會(huì )造成重大災難性后果，失效事故的發(fā)生與材質(zhì)、腐蝕性環(huán)境和受力情況密切相關(guān)。在管道系統中容易存在材質(zhì)缺陷及局部應力集中的位置，例如管道環(huán)焊縫、熱煨彎頭等，均是服役過(guò)程中較為薄弱的環(huán)節。

管道熱煨彎頭在成型過(guò)程中，受到熱處理工藝的影響，彎頭部位的組織容易發(fā)生劣化，且彎頭處受力復雜，局部存在較高應力，也是服役過(guò)程中的高風(fēng)險位置。分析了兩個(gè)典型的熱煨彎頭開(kāi)裂案例，希望能夠對管線(xiàn)鋼環(huán)焊縫失效分析提供一定的參考。

1 失效案例一

某埋地油氣混輸管線(xiàn)2013年建成投運，服役2年后熱煨彎管開(kāi)裂。該管線(xiàn)設計壓力2.5 MPa、設計運行溫度7 ℃，管線(xiàn)材質(zhì)為L(cháng)245 NS，規格為Φ 168×7 mm。輸送介質(zhì)為油氣水，綜合含水5%，H2S分壓0.168 kPa， CO2分壓0.024 MPa。內防腐采用無(wú)溶劑液體雙組份環(huán)氧涂料，干膜厚度≥500 μm；外防腐保溫采用防腐漆+黃夾克。

管 段 宏 觀(guān) 照 片 如 圖 1 所 示 。 外 裂 紋 長(cháng) 度 為415 mm，內裂紋長(cháng)度為410 mm，裂紋長(cháng)度占圓周的78%，裂紋止于靠近彎管內弧位置。開(kāi)裂處距離左端焊縫處為210 mm。

1.1 管線(xiàn)材質(zhì)測試

依照GB/T 9711―2011《石油天然氣工業(yè)管線(xiàn)輸送鋼管》要求，對管段取樣進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊、硬度、金相組織等性能檢測與分析，判斷取樣管段理化性能是否滿(mǎn)足標準要求。

化學(xué)成分測試結果如表 1所示，其中管材的C元 素和S元素含量高于標準要求。

拉伸試驗結果如表 2所示，其中彎管段的屈服強度和抗拉強度遠高于標準規定的范圍，延伸率遠低于標準規定的最低值。

            

﹣20℃溫度下夏比沖擊試驗結果如表3所示�？梢钥闯鲈摱喂懿膯蝹�(gè)樣品沖擊功滿(mǎn)足技術(shù)規格書(shū)要求，但樣品的平均值未達到技術(shù)規格書(shū)要求的40 J。

從開(kāi)裂位置向兩側每隔20 mm分別在內壁和外壁測試5個(gè)硬度值，結果如圖 2所示�？梢钥闯鰪澒芏斡捕戎禐�32～42 HRC，內層和外層硬度值均遠高于標準和技術(shù)規格書(shū)要求。

金相組織如圖 3所示，熱煨彎管開(kāi)裂位置附近為典型的馬氏體組織，外表面馬氏體板條粗大，越靠近管壁內表面，板條束越小。說(shuō)明彎管在彎制過(guò)程中，管外壁的受熱溫度高于其它位置。在金相組織照片中可以明顯觀(guān)察到組織中有球狀和條狀夾雜物。能譜分析結果顯示球狀物為CaO-Al2O3系復合夾雜物，如圖 4所示；條狀夾雜為MnS夾雜，如圖 5所示。

                

1.2 斷口觀(guān)察

管段宏觀(guān)開(kāi)裂照片如圖 6（a）所示， 從開(kāi)裂斷口的形態(tài)上看， A點(diǎn)位置斷口平齊，其他區域在靠近表面位置存在與斷裂面呈一定角度的剪切唇。 A點(diǎn)在彎管上的位置如圖 6（b）所示，位于管段外側弧區域。沿裂紋打開(kāi)后A點(diǎn)位置斷口照片如圖 6（c）所示，從圖中可以看出， A點(diǎn)位置斷口上有明顯的放射狀形貌，判斷此處為裂紋的起源位置。

A點(diǎn)位置的顯微照片如圖 7所示，其中圖 7（a）和（b）為除銹前的微觀(guān)形貌，從圖中可以看出，管 段外表面存在腐蝕凹坑。腐蝕產(chǎn)物的能譜測試結果見(jiàn)圖 7（c），主要是Fe的氧化物，并存在Ca、 Cl等元素，說(shuō)明服役過(guò)程中管段外表面在土壤環(huán)境下發(fā)生了外腐蝕。外腐蝕凹坑處產(chǎn)生應力集中，裂紋在該位置處萌生。圖 7（d）為斷口除銹后的表面照片，圖 7（e）和（f）為斷口的截面照片，從圖中可以明顯看出裂紋起源點(diǎn)附近存在沿晶的二次裂紋，為典型的氫致開(kāi)裂裂紋特征。

1.3 殘余應力測試

使用μ-X360n型殘余應力測試設備，對圖 6中的A位置進(jìn)行殘余應力測試。測試結果表明該處外表面為拉應力，殘余應力為279～300 MPa；內表面為壓應力，殘余應力為﹣200 MPa；表明彎管在制管過(guò)程中存在較高的殘余應力（一般認為殘余應力＜100 MPa對于管材無(wú)明顯影響），如果表面有微小的缺陷，容易在缺陷位置造成應力集中。此外，彎管外表面殘余應力為拉應力，內表面為壓應力，在含氫服役環(huán)境下，外表面更容易起裂。

1.4 氫含量測試

分別在裂紋源附近（A點(diǎn)）和遠離裂紋位置取樣，使用升溫脫氫分析設備（Thermal DesorptionSpectroscopy， TDS）對兩個(gè)位置樣品中氫隨溫度溢出曲線(xiàn)及氫含量進(jìn)行測試。測試結果如圖 8所示，不同條件下的釋氫曲線(xiàn)均存在兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現在100 ℃附近，第二個(gè)峰值出現在400 ℃附近，根據釋氫曲線(xiàn)將測試獲得的氫分為兩部分，一部分為較低溫度逸散出的可擴散氫，另一部分為達到較高溫度后才能擺脫束縛散逸出來(lái)的陷阱氫。對釋氫曲線(xiàn)進(jìn)行積分，起裂源處可擴散氫為0.025 mg/kg（ppm），陷阱氫為0.052 mg/kg（ppm）；遠離裂紋位置可擴散氫為0.005 mg/kg （ppm），陷阱氫為0.045mg/kg（ppm）。從測試結果可以看出，起裂源位置的可擴散氫含量和陷阱氫含量均高于遠離裂紋位置，其中，起裂源處的可擴散氫含量比遠離裂紋位置的值高出一個(gè)數量級。管道內部含有硫化氫介質(zhì)，提供了氫的來(lái)源，氫容易在應力集中位置富集，裂紋源位置的氫含量升高，進(jìn)一步證明了起裂過(guò)程中氫的作用。

1.5 失效原因分析

彎管的C元素和S元素超出標準要求，彎曲部位的金相組織為馬氏體，其硬度和強度遠高于標準范圍，單個(gè)試樣的沖擊韌性低于標準要求，彎管的屈服強度達到1 000 MPa以上，已經(jīng)超過(guò)了原始L245 NS鋼管強度，具有較高的氫脆敏感性。彎管的彎曲部位和開(kāi)裂位置附近還存在大量MnS及氧化物等非金屬夾雜，該類(lèi)缺陷的存在能夠進(jìn)一步提高材料的開(kāi)裂敏感性。

彎管的裂紋起源于外彎側外表面處的腐蝕凹坑，起裂位置表現為脆性斷口形貌，并觀(guān)察到二次裂紋的存在，呈現典型的氫脆型斷口特征，且彎管起裂點(diǎn)處可擴散氫比其他位置高出一個(gè)數量級，說(shuō)明氫參與了裂紋的起裂和擴展過(guò)程。

彎管外彎側存在一定的殘余拉應力，在服役過(guò)程中還會(huì )受到溫度變化導致的熱漲載荷、內壓作用導致的泊松效應、介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向應力以及土壤摩擦力等載荷的作用，在腐蝕凹坑位置會(huì )產(chǎn)生應力集中，管道內部的H2S介質(zhì)提供了氫來(lái)源，氫在應力集中位置富集，能夠顯著(zhù)降低彎管材料的開(kāi)裂門(mén)檻 值，造成起裂并發(fā)生擴展，當裂紋擴展到一定程度后剩余壁厚無(wú)法承載管道壓力而導致快速撕裂。

綜上所述，彎管是在服役過(guò)程中，外表面的腐蝕凹坑在材質(zhì)問(wèn)題、局部應力集中效應和內部H2S介質(zhì)提供的氫的共同影響下引起的開(kāi)裂失效。彎管材質(zhì)不滿(mǎn)足標準要求，具有高氫脆敏感性，在服役環(huán)境中的氫和應力作用下發(fā)生環(huán)境敏感開(kāi)裂，是失效的主要原因。

2 失效案例二

某埋地天然氣管線(xiàn)運行16年后熱煨彎管位置發(fā)生泄漏，裂紋長(cháng)度約20 cm。該管線(xiàn)設計壓力15 MPa，材質(zhì)為16 Mn，規格為Φ 273×16 mm，無(wú)縫鋼管。彎管外部防腐采用帶無(wú)溶劑環(huán)氧底漆的三層結構敷設交聯(lián)聚乙烯搭接熱縮套，整條管線(xiàn)配有外加電流陰極保護措施。

2.1 管線(xiàn)材質(zhì)測試

依照GB/T 1591―2008《低合金高強度結構鋼》要求（生產(chǎn)廠(chǎng)家依據GB/T 6479―2013《高壓化肥設備用無(wú)縫鋼管》、 SH 3408―1996《鋼制對焊無(wú)縫管件》），對管段取樣進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊、硬度、金相組織等性能檢測與分析，評判取樣管段理化性能是否滿(mǎn)足標準要求。取樣位置均靠近開(kāi)裂處。

16 Mn是舊國標GB/T 1591―1988中低合金高強度結構鋼牌號，新國標GB/T 1591―2008中為Q345B（Q345有5個(gè)質(zhì)量等級， Q345A~Q345E）�；瘜W(xué)成分測試結果如表 4所示，，其中管材的C含量和Si含量略高于標準要求，該成分的增加使材料的屈服強度和抗拉強度升高，其他化學(xué)成分符合標準要求。

            

拉伸試驗結果如表5所示，其中鋼管的屈服強度滿(mǎn)足標準要求，抗拉強度超出標準要求范圍。

﹣20℃溫度下夏比沖擊試驗結果如表 6所示，管材的沖擊功均滿(mǎn)足標準要求。

            

開(kāi)裂位置附近的硬度測試結果如表7所示，開(kāi)裂彎管外表面的硬度測試結果高于標準要求。

金相組織如圖 9所示，熱煨彎管外層組織為典型的魏氏組織，并存在少量馬氏體，晶粒粗大，為彎制過(guò)程熱輸入效應下，奧氏體晶粒長(cháng)大后，在較快的冷卻速度下形成的鐵素體針片+珠光體組織，組織的綜合性能較差，韌性降低，脆性增加，開(kāi)裂敏感性增加。與外層和中間層組織相比，內層組織較為均勻，以鐵素體和珠光體相為主。

2.2 斷口觀(guān)察

沿裂紋打開(kāi)后斷口照片如圖 10所示，圖中P1位置位于整個(gè)裂紋的中間（圖中的斷口占整個(gè)裂紋的2/3），斷口形貌可以分為三個(gè)明顯區域，靠近管段 外表面平齊的A區，位于管壁中心的B區和靠近內表面處較為光滑并與斷口呈一定角度的C區。

在掃面電鏡下觀(guān)察，在管壁外表面P1和P2處發(fā)現裂紋起源點(diǎn)，如圖 11所示，起源點(diǎn)位于亞表面，從外向內呈放射狀擴展。將斷口放大后觀(guān)察到A區為典型的沿晶斷口，并伴有二次裂紋，屬于典型的氫脆型斷口，如圖 12所示。 B區為A區裂紋擴展后產(chǎn)生應力集中，應力作用下的準解理斷口， C區為最后快速斷開(kāi)的剪切唇。

            

2.3 失效原因分析

彎管的C元素和Si元素超出標準要求，彎管外彎側外表面的金相組織為魏氏體組織，其硬度和拉伸性能也遠超出標準要求范圍，為制管過(guò)程導致的材料缺陷。彎管的抗拉強度達到805 MPa，已經(jīng)超過(guò)了原始16 Mn鋼管強度，達到高強鋼范疇，具有較強的氫脆敏感性。

管段采用外加電流陰極保護，陰極保護測試結果顯示管道陰保水平較好，陰極保護電位較負。通常情況下，管線(xiàn)鋼的析氫電位在0.9 Vvs.CSE作用，當陰極保護電位負于析氫電位后，陰極會(huì )發(fā)生析氫反應，陰極析出氫原子一部分會(huì )結合成氫氣散逸到空氣中，另一部分進(jìn)入到材料內部。

同案例一，熱煨彎管外表面存在一定的殘余拉應力，在服役過(guò)程中還受熱漲載荷、泊松效應、軸向應力以及土壤摩擦等載荷的作用，在彎管位置局部應力集中。氫在應力集中位置富集，造成起裂并發(fā)生擴展，當裂紋擴展到一定程度后剩余壁厚無(wú)法承載管道壓力而導致快速撕裂。

綜上所述，彎管是在服役過(guò)程中，在材質(zhì)問(wèn)題、局部應力集中效應和外部陰極保護提供的氫的共同影響下引起的開(kāi)裂失效。彎管材質(zhì)不滿(mǎn)足標準要求，具有較高的氫脆敏感性，在服役環(huán)境中的氫和應力作用下發(fā)生環(huán)境敏感開(kāi)裂，是失效的主要原因。

3 結論

通過(guò)對兩個(gè)失效熱煨彎管的管材材質(zhì)測試，斷口測試結合服役環(huán)境和受力分析，對失效彎管的開(kāi)裂進(jìn)行了根源性分析。分析結果表明，兩個(gè)彎管的材質(zhì)均不滿(mǎn)足標準要求，受彎制工藝的影響，組織發(fā)生變化，硬度和強度均大幅提高，在環(huán)境中內部/外部氫及局部應力的影響下，發(fā)生開(kāi)裂，并在應力的作用下繼續擴展失效。

兩個(gè)失效案例表明，即使是低鋼級管材，如果成型和加工過(guò)程中引入了材質(zhì)缺陷，在內部含氫或外部存在陰極保護等可提供氫的環(huán)境條件下，也會(huì )發(fā)生開(kāi)裂。對于高鋼級管材，特別是存在缺陷的環(huán)焊縫位置，其開(kāi)裂敏感性更高。為保證管道的安全運行，需要對管道運行過(guò)程中出現的開(kāi)裂問(wèn)題，有針對性的展開(kāi)根源性分析，找出明確的開(kāi)裂原因，為管道的完整性管理和事故預防提供依據。

 

作者：王修云，女， 1979年生，高級工程師， 2004年碩士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，安科工程技術(shù)研究院總經(jīng)理，長(cháng)期從事油氣管道完整性及安全相關(guān)工作。