張輝宇，張瑞軒

(1.中石化集團(tuán)勝利石油管理局海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)中心，東營(yíng) 257064; 2.南京大學(xué) 現(xiàn)代工程及應(yīng)用科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

油氣長(zhǎng)輸管道裂紋缺陷產(chǎn)生原因

張輝宇1，張瑞軒2

(1.中石化集團(tuán)勝利石油管理局海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)中心，東營(yíng) 257064; 2.南京大學(xué) 現(xiàn)代工程及應(yīng)用科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

介紹了油氣長(zhǎng)輸管道檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的多種類(lèi)型裂紋，通過(guò)冶煉過(guò)程分析、定量光譜分析及金相分析，查出了裂紋的產(chǎn)生原因,為長(zhǎng)輸管道質(zhì)量提供了有力保障。

冷裂紋；熱裂紋；延遲裂紋；定量光譜分析；非金屬夾渣物；焊接工藝評(píng)定

眾所周知，裂紋是金屬原子間的結(jié)合遭到破壞，原子間形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙,是焊接缺陷中危害最大的一種缺陷。裂紋的出現(xiàn)將顯著地減少承載面積，更嚴(yán)重的是裂紋端部會(huì)形成尖銳缺口，致使應(yīng)力高度集中而發(fā)生擴(kuò)展。如果裂紋沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)而存在于焊接接頭中，在循環(huán)載荷的作用下，裂紋將在焊接接頭中擴(kuò)展，引起焊接接頭的失效，造成管線(xiàn)的泄漏，后果和危害是不可預(yù)料的。所以，在焊接界有著“聞‘裂’色變”的說(shuō)法[1]。

筆者介紹了幾種油氣長(zhǎng)輸管道中裂紋的射線(xiàn)檢測(cè)圖像，通過(guò)冶煉過(guò)程分析、定量光譜分析及金相分析等，查出了裂紋產(chǎn)生的原因，為長(zhǎng)輸管道質(zhì)量提供了有力保障。

1 裂紋的分類(lèi)及產(chǎn)生原因

裂紋的分類(lèi)形式較多，可按照裂紋大小、裂紋延伸方向、裂紋發(fā)生部位、裂紋產(chǎn)生時(shí)機(jī)和條件等對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。

工程長(zhǎng)輸管道射線(xiàn)照相底片采用CR和γ源(Ir192)、傳統(tǒng)底片Agfa C7曝光技術(shù)，用肉眼評(píng)定。筆者將裂紋按照發(fā)生部位進(jìn)行分類(lèi)，分為橫向裂紋(于焊縫垂直)、縱向裂紋(于焊縫平行)、輻射狀裂紋等[1]。

1.1 橫向裂紋

圖1 橫向裂紋示例

一般橫向裂紋大多屬于冷裂紋。由于冷裂紋的延遲和快速脆性特征，給長(zhǎng)輸管道帶來(lái)的危害是災(zāi)難性的。圖1為橫向裂紋示例。圖1(a)中裂紋方向垂直于焊縫方向，有許多微小裂紋；處于熱影響區(qū)，裂紋從母材處延伸至焊接接頭中，并且還有進(jìn)一步延伸擴(kuò)展趨勢(shì);圖1(b)中裂紋方向垂直于焊縫方向，有微小裂紋；裂紋從母材直縫處首先開(kāi)裂，伴隨著焊接延伸至焊接接頭中，并且還有進(jìn)一步延伸擴(kuò)展趨勢(shì),裂紋的另一方向延伸至母材內(nèi)部;圖1(c)中裂紋方向垂直于焊縫方向，裂紋從熱影響區(qū)首先開(kāi)裂，伴隨著焊接延伸至焊接接頭中，進(jìn)一步向母材深處和焊接接頭中延伸擴(kuò)展。

發(fā)現(xiàn)橫向裂紋的焊接接頭的壁厚都是9.5 mm，將發(fā)生裂紋的焊接接頭管材熱加工號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熱加工號(hào)數(shù)值不同，不是一批爐號(hào)的管材。

通過(guò)定量光譜分析及金相分析，發(fā)現(xiàn)Si 、Mn元素與廠家提供的元素含量不一致，高于管線(xiàn)提供的值[2]。Si元素含量過(guò)高會(huì)造成材料的脆性,材料室溫下形成脆裂。此即橫向裂紋產(chǎn)生的原因。

1.2 縱向裂紋 熱裂紋是結(jié)晶裂紋，其生成的原因是焊縫金屬在凝固過(guò)程中，結(jié)晶偏析生成雜質(zhì)低熔點(diǎn)共晶物富集于晶界，形成“液態(tài)薄膜”。在特定的敏感溫度區(qū)間，“液態(tài)薄膜”強(qiáng)度極低。由于焊縫凝固收縮受到拉應(yīng)力，最終開(kāi)裂形成裂紋,所以縱向裂紋一般是熱裂紋。

圖2 縱向裂紋示例

縱向裂紋示例如圖2所示。圖2(a)中裂紋方向平行于焊縫方向，呈鋸齒狀，該焊接接頭為返修焊口，裂紋處于熔合區(qū);圖2(b)中裂紋方向平行于焊縫方向，呈鋸齒狀，該焊接接頭為返修焊口，裂紋處于熱影響區(qū);圖2(c)中裂紋方向平行于焊縫方向，呈鋸齒狀，該焊接接頭為返修焊口，裂紋處于焊縫區(qū)。

該縱向裂紋產(chǎn)生原因?yàn)椋孩?在焊接工藝評(píng)定中，需要將母材預(yù)熱到最低溫度(80 ℃)，在焊接接頭的根部焊接時(shí)是STT(實(shí)芯焊絲氬氣保護(hù))打底,施工方?jīng)]有做好焊前預(yù)熱，根焊打底后，由于環(huán)境溫度較低，焊縫溫度降低很快，形成裂紋；② 由于根焊打底時(shí)，管線(xiàn)發(fā)生移動(dòng)，對(duì)口器對(duì)管線(xiàn)鎖緊不夠,造成應(yīng)力的形成，并施加到焊接接頭，形成裂紋；③ 焊接組對(duì)時(shí)，管線(xiàn)中心線(xiàn)距離較大，施工方采用千斤頂時(shí)，造成應(yīng)力的形成，并施加到焊接接頭上，形成裂紋。

1.3 放射狀裂紋

文中所述案例出現(xiàn)在焊后一段時(shí)間(幾小時(shí)，幾天甚至更長(zhǎng)的時(shí)間)，故也稱(chēng)延遲裂紋。一般焊后24 h，冷裂紋出現(xiàn)率為92%，無(wú)損檢測(cè)都能發(fā)現(xiàn)。放射狀裂紋示例如圖3所示。

圖4 裂紋解剖示意

對(duì)圖3中裂紋處解剖，并對(duì)該區(qū)域做定量光譜分析，發(fā)現(xiàn)Ca、Si、Mn元素超標(biāo)。裂紋解剖示意如圖4所示。

眾所周知，鋼廠在冶煉時(shí)，用Si 、Mn脫氧、脫硫時(shí)形成非金屬氧化物。

如果非金屬氧化物熔渣在冶煉處沒(méi)有與鐵水分離，就會(huì)混進(jìn)鋼坯中，鋼坯在隨后的鍛造過(guò)程中，非金屬夾渣物被軋制成為扁平的層狀缺陷，即解剖檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的焊接接頭內(nèi)部位置的夾層缺陷。

X65M管線(xiàn)鋼是多元素微合金強(qiáng)化低碳鋼，X65M管線(xiàn)鋼和其焊接接頭的金屬夾雜物在伸長(zhǎng)率上存在很大差異[3]。在環(huán)境溫度和外部應(yīng)力的作用下，逐漸產(chǎn)生了3條裂紋。

明確原因后，檢查了該焊接接頭的板材加熱號(hào)，對(duì)該批管材的焊接接頭又重新進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，再次發(fā)現(xiàn)1條裂紋。

由于該工程發(fā)現(xiàn)裂紋較多，在管道工程的壓力試驗(yàn)中，在標(biāo)準(zhǔn)允許的情況下，需要加大試驗(yàn)壓力，延長(zhǎng)氣密性試驗(yàn)的時(shí)間，在工程開(kāi)工前將裂紋全部找出，保證管道介質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間使用和運(yùn)輸中的安全。

2 結(jié)語(yǔ)

筆者將在國(guó)際長(zhǎng)輸管道工程中遇到的大量多種類(lèi)型裂紋進(jìn)行了射線(xiàn)檢測(cè)和金相分析，查找出裂紋產(chǎn)生原因，以供同行參考。

[1] 王曉雷.承壓類(lèi)特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)相關(guān)知識(shí)[M]. 北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

[2] ASME V 2013 Nondestructive testing[S].

[3] 田慶榮,王克杰.非金屬夾渣物和金相組織對(duì)板材伸長(zhǎng)率的影響 [J].物理測(cè)試, 2011,29(4):23-25.

The Causes of Crack Defects in Long Distance Oil and Gas Pipeline

ZHANG Huiyu1, ZHANG Ruixuan2

(1.Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau of Offshore Oil Engineering Technology Inspection Center,Dongying 257064, China;2.College of Engineering and Applied Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

The detection of various types of cracks in long distance pipeline is introduced, through the analysis of smelting process, quantative spectral analysis and metallographic analysis, the causes resulting in the cracks are analyzed, and the corresponding treatment is carried out. It provides a strong guarantee of quality for the long distance pipeline.

cold crack; hot crack; delay crack; quantitative spectral analysis; nonmetal slag inclusion; welding procedure of specification

2016-09-12

張輝宇(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)工作

張輝宇， zhanghuiyu1970@163.com

10.11973/wsjc201707017

TG115.28

B

1000-6656(2017)07-0073-02