李小龍，劉養(yǎng)勤，劉 紅，劉 釗，于開祥，蔡 克，仝 珂，宋恩鵬

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077；2.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司 北京 100013；3.中國石油長慶油田分公司 陜西 西安 710018；4.海城遼河大型鋼管有限公司 遼寧 海城 114200)

0 引 言

彎管比直管承受了更復(fù)雜的應(yīng)力和苛刻的工況，彎管的失效風(fēng)險因而隨之增加。彎管失效分析案例表明[1-2]，彎管失效引起的火災(zāi)、爆炸和有毒氣體泄漏，造成了經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染等[3-4]，因此，需要對彎管的失效原因進行分析。國內(nèi)某油氣管道公司某成品油埋地管線開挖檢測時，發(fā)現(xiàn)彎管開裂泄漏，現(xiàn)場作業(yè)人員對彎管進行補強措施后仍存在滲漏現(xiàn)象。彎管規(guī)格為DN273 PN63 R=6D L360N 72°，母管為無縫管，熱煨彎制，制造標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應(yīng)加熱彎管》，本文對該彎管的開裂原因進行了試驗分析。

1 宏觀分析與無損檢測

某成品油埋地管線開裂泄漏的彎管現(xiàn)場臨時補強套袖彎管的宏觀形貌如圖1所示，剝離補強套袖后彎管的裂紋宏觀形貌如圖2和圖3所示。

圖1 72°失效彎管的宏觀照片

圖2 剝離補強套袖后彎管外弧側(cè)外表面裂紋宏觀形貌

圖3 彎管內(nèi)表面宏觀形貌

為進一步確認泄漏位置及分布特征，對該彎管進行滲透檢測，如圖4所示。從圖2和圖4可見，彎管外弧側(cè)存在6條裂紋，其中5條裂紋分布在彎曲段，1條裂紋分布在過渡區(qū)，最長的5#裂紋為240 mm。開裂部分位于彎管外弧側(cè)，裂紋止于中性區(qū)，裂紋附近未見明顯的塑性變形和腐蝕坑等痕跡。從彎管內(nèi)壁表面可以看出，3#、5#和6#裂紋形成貫穿裂紋，導(dǎo)致彎管泄漏，其余內(nèi)壁表面平整，沒有腐蝕坑。

圖4 彎管滲透檢測

2 理化性能試驗

2.1 化學(xué)成分

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016，用ARL4460直讀光譜儀對失效彎管的材料進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可見，該彎管的化學(xué)成分分析結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

2.2 拉伸性能

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010，用SHT4106材料試驗機對失效彎管進行拉伸試驗(由于彎管過渡區(qū)存在裂紋，該處未進行拉伸試驗)，結(jié)果見表2。從表2可見，該彎管的直段管體和中性區(qū)管體拉伸試驗結(jié)果均符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求，該彎管外弧側(cè)管體和內(nèi)弧側(cè)管體拉伸試驗結(jié)果不符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。該彎管外弧側(cè)管體的屈服強度為807 MPa，tt標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值增加了277 MPa;抗拉強度為1 394 MPa，tt標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值增加了634 MPa；斷后伸長率為11.5%，小于標(biāo)準(zhǔn)要求值19%。

表2 拉伸性能試驗結(jié)果

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007，用PIT752D-2沖擊試驗機對失效彎管進行夏比沖擊試驗，結(jié)果見表3。從表3可見，該彎管的直段管體、過渡區(qū)管體、內(nèi)弧側(cè)管體和中性區(qū)管體的夏比沖擊試驗結(jié)果均符合SY/T 5257—2012要求；該彎管外弧側(cè)管體的夏比沖擊試驗結(jié)果不符合SY/T 5257—2012要求。外弧側(cè)管體夏比沖擊韌性低于直管段的沖擊吸收能量。

表3 夏比沖擊試驗結(jié)果

2.3 維氏硬度試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009，用KB30BVZ-FA維氏硬度計對失效彎管進行維氏硬度試驗，維氏硬度壓痕位置示意圖如圖5所示，結(jié)果如圖6所示。

圖5 維氏硬度壓痕位置示意圖

圖6 維氏硬度試驗結(jié)果

從圖6可見，該彎管直段管體和中性區(qū)管體的維氏硬度試驗結(jié)果均符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求；該彎管過渡區(qū)管體、外弧側(cè)管體和內(nèi)弧側(cè)管體的維氏硬度試驗結(jié)果不符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。該彎管外弧側(cè)管體壁厚全截面的維氏硬度值較低，平均值為468 HV10。該彎管過渡區(qū)管體和內(nèi)弧側(cè)管體的外表面維氏硬度較高，最高值分別為442 HV10和435 HV10。

2.4 金相分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2017，用OLS4100激光共聚焦顯微鏡對彎管進行金相組織分析和晶粒度評定，金相試驗結(jié)果見表4，金相組織如圖7所示。從表4可見，彎管的晶粒度評定結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。該彎管外弧側(cè)管體主要是馬氏體組織，其它部位管體組織為馬氏體+鐵素體+貝氏體。

圖7 失效彎管金相組織

表4 金相分析結(jié)果

注：M-馬氏體；F-鐵素體；B-貝氏體。

3 裂紋分析

3.1 裂紋金相分析

用OLS4100激光共聚焦顯微鏡對1#-1裂紋試樣和1#-2裂紋試樣剖面進行裂紋金相分析，裂紋試樣取樣位置如圖8所示。

圖8 裂紋試樣取樣位置

裂紋金相分析結(jié)果見表5,1#-1和1#-2試樣裂紋形貌及其周圍組織如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可見，裂紋起源于彎管外表面，并呈“之字”形曲折向內(nèi)表面擴展，裂紋局部呈沿晶特征，裂紋附近的金相組織主要是馬氏體。

表5 裂紋金相分析結(jié)果

圖9 1#-1試樣裂紋低倍形貌及周圍組織

圖10 1#-2試樣裂紋低倍形貌及周圍組織

3.2 裂紋內(nèi)物質(zhì)電鏡及能譜分析

用XFORD INCA350能譜儀對1#-1試樣裂紋內(nèi)的物質(zhì)進行分析，能譜曲線如圖11所示，化學(xué)成分見表6。從圖11和表6可見，1#-1、1#-2試樣裂紋內(nèi)“灰色物質(zhì)”主要由C、O、Fe元素組成，其中裂紋根部C元素含量較高的原因是由于裂紋內(nèi)存在泄漏煤油。

圖11 1#-1試樣裂紋內(nèi)物質(zhì)能譜分析曲線

表6 1#-1試樣裂紋根部和尖端物質(zhì)能譜分析結(jié)果

3.3 裂紋顯微維氏硬度分析

用DuraScan 70G5顯微維氏硬度計對1#-1裂紋試樣剖面進行顯微硬度試驗，結(jié)果見表7。從表7可見，裂紋兩側(cè)的顯微維氏硬度值較高，其中裂紋根部的顯微維氏硬度值最高，其平均值為502.5 HV1。裂紋由管體外表面向內(nèi)表面方向擴展，沿著裂紋擴展方向的顯微維氏硬度值逐漸減小。

表7 1#-1試樣裂紋附近壓痕及顯微維氏硬度試驗結(jié)果

4 裂紋表面形貌分析

用機械壓力方法使1#裂紋試樣從裂紋部位斷裂，斷裂后的裂紋表面形貌如圖12所示。從圖12可見，未清洗的裂紋表面存在黑色高溫氧化物和黃色銹蝕產(chǎn)物。用丙酮、乙醇和醋酸纖維對裂紋表面進行清洗，在掃描電子顯微鏡下觀察清洗后的裂紋表面形貌，其微觀形貌如圖13所示。從圖13可見，裂紋表面微觀形貌為沿晶特征，該裂紋起源于外弧側(cè)的外表面，并且向內(nèi)表面方向擴展。

圖12 1#裂紋表面宏觀形貌

圖13 裂紋表面微觀形貌

5 彎管開裂原因綜合分析

失效彎管材料的理化性能試驗結(jié)果表明，該彎管材料的化學(xué)成和晶粒度試驗結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求，其拉伸性能、夏比沖擊韌性和維氏硬度試驗結(jié)果不符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。金相分析結(jié)果表明，該彎管的過渡區(qū)存在少量的馬氏體組織，而彎曲段外弧側(cè)、內(nèi)弧側(cè)和中性區(qū)的金相組織主要為馬氏體，由此說明彎管在制造過程中產(chǎn)生了馬氏體組織[2]，從而使該彎管外弧側(cè)管體材料具有高強度(屈服強度為807 MPa，抗拉強度為1 394 MPa)、高硬度(維氏硬度平均值為468 HV10)和低沖擊韌性(夏比沖擊吸收能量為20 J)。

根據(jù)失效彎管的宏觀形貌分析結(jié)果，該彎管外表面上的6條裂紋均位于外弧側(cè)，其中5條裂紋位于該彎管的彎曲段，1條裂紋位于該彎管過渡區(qū)，5#裂紋的橫向長度為240 mm。由失效彎管的裂紋金相分析結(jié)果可知，失效彎管上的裂紋均起源于外表面，裂紋呈“之”字形狀曲折向內(nèi)表面擴展，裂紋附近的金相組織主要為馬氏體。裂紋表面微觀形貌分析結(jié)果表明，裂紋表面沒有發(fā)生塑性變形，裂紋表面為沿晶形貌，說明失效彎管中的裂紋是脆性開裂[5-7]。

綜上所述，失效彎管在熱煨彎制時產(chǎn)生了馬氏體等的脆性金相組織，從而在熱煨彎制時該彎管的管壁上產(chǎn)生了裂紋缺陷，在附加彎曲應(yīng)力和運行壓力的共同作用下該裂紋擴展至內(nèi)表面使該彎管泄漏失效。

6 結(jié) 論

1)失效彎管的材料的化學(xué)成和晶粒度試驗結(jié)果符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求，其拉伸性能、夏比沖擊韌性和維氏硬度試驗結(jié)果不符合SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)彎管泄漏失效是由于該彎管在熱煨彎制時產(chǎn)生了馬氏體等的脆性金相組織，因而在熱煨彎制時該彎管的管壁上產(chǎn)生了裂紋缺陷，在附加彎曲應(yīng)力和運行壓力的共同作用下該裂紋擴展至內(nèi)表面使該彎管泄漏失效。