孔令峰，秦振杰，張 挺，寧長(zhǎng)春，李 蒙，張盈盈

1.塔里木油田油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒 841000

2.長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，陜西延安 716000

3.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

1 工程概況

某油田處理站乙二醇加注管道三通出現(xiàn)刺漏，刺漏具體位置及外觀如圖1所示，發(fā)生刺漏的三通材質(zhì)為16Mn，管徑為DN50，介質(zhì)為乙二醇貧液（含水21%），運(yùn)行溫度為45 ℃，壓力為10 MPa，流速為0.23 m/s。

圖1 三通及內(nèi)壁開(kāi)裂部位照片

為確定管道三通開(kāi)裂刺漏的原因，通過(guò)化學(xué)成分分析、金相組織分析、掃描電鏡等手段[1]，進(jìn)行了三通腐蝕原因分析[2?3]，確定了開(kāi)裂原因，指導(dǎo)了后續(xù)生產(chǎn)和管理，同時(shí)也確保了管道和站場(chǎng)的運(yùn)行安全。

2 測(cè)試方法

2.1 失效樣品宏觀形貌分析

觀察失效樣品的腐蝕形態(tài)。

2.2 化學(xué)成分分析

從樣品本體及裂紋處取樣，用SPECTRO LABM11 直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，包括錳、碳、硅、硫、磷等主要元素和煉制時(shí)加入的用于脫氧之外的其他合金元素含量測(cè)試分析。

2.3 硬度測(cè)試

分別在管道三通的開(kāi)裂刺漏位置及本體無(wú)任何缺陷區(qū)域取樣，利用布氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度的測(cè)試。

2.4 金相組織分析

在三通主管未開(kāi)裂部位和主管與支管交匯處的裂紋部位分別取橫向試樣和縱向試樣，經(jīng)過(guò)240#、500#、1 200#砂紙的打磨，再用2.5、1.5 μm 金剛石拋光劑拋光，然后用Observer A1m倒置金相顯微鏡對(duì)裂紋處和基體無(wú)任何缺陷處的金相顯微組織及非金屬夾雜物進(jìn)行分析。

2.5 掃描電鏡分析

取裂紋區(qū)域斷口處基材，使用FEI Quanta 450 FEG FESEM 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線能譜分析（EDAX）進(jìn)行外觀特征、微觀形態(tài)、組成等理化特征分析。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 宏觀形貌觀察

裂紋源位于三通本體近支管處。將失效三通沿縱向?qū)_剖開(kāi)，對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行著色，觀察開(kāi)裂三通管件及管件裂紋，其宏觀形貌如圖2所示。

圖2 管件裂紋位置及形貌

失效點(diǎn)位于三通主管和支管交匯處，在管件出口內(nèi)側(cè)表面發(fā)現(xiàn)一條較為明顯的裂紋，裂紋長(zhǎng)度約3 cm，裂紋未穿透管壁，裂紋方向垂直于管件環(huán)向方向。在管件出口外側(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，外觀為一個(gè)刺漏針孔點(diǎn)。

3.2 化學(xué)成分分析

開(kāi)裂部位及未開(kāi)裂部位成分及含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，將測(cè)試結(jié)果與NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)部位中的C 元素和S 元素含量稍微偏高，其余元素含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 不同部位的不同元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位：%

3.3 硬度測(cè)試

硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果

GB/T 12459—2005 標(biāo)準(zhǔn)要求16Mn 鋼管件的硬度≤170 HB，從表2 可知，裂紋附近硬度偏高，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而基體硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 金相組織分析

對(duì)裂紋處、裂紋附近和基體完好處的金相顯微組織及非金屬夾雜物進(jìn)行分析。金相組織如圖3 所示，非金屬夾雜物如圖4所示。

圖3 金相組織

圖4 非金屬夾雜物

從圖3 和圖4 可以看出，在裂紋兩側(cè)及裂紋附近處，晶界上沿著晶面向晶內(nèi)有一些針狀析出，其間還存在著一些珠光體組織，這種結(jié)構(gòu)為魏氏體組織。具體測(cè)試分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 金相組織分析結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，三通主管原始組織為鐵素體+珠光體，裂紋附近主要為魏氏體組織，裂紋兩側(cè)發(fā)現(xiàn)大量粒狀貝氏體+魏氏體組織，而且非金屬夾雜物含量較高，特別是A類(lèi)夾雜物硫化物級(jí)別達(dá)到2 級(jí)粗系、D 類(lèi)夾雜物氧化物級(jí)別達(dá)到1.5級(jí)細(xì)系。

魏氏體組織形成有兩個(gè)原因：一是熱處理溫度高，二是冷卻速度快。根據(jù)三通運(yùn)行環(huán)境，管內(nèi)輸送介質(zhì)為乙二醇，輸送溫度為45 ℃，在運(yùn)行過(guò)程中不存在引起三通組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的因素。

魏氏組織的形成，主要取決于其含碳量、冷卻速度和晶粒大小三個(gè)因素。在等溫冷卻時(shí)，魏氏組織具有一個(gè)上限溫度，高于此溫度，魏氏組織不能形成。含碳量越高，晶粒越細(xì)，其上限溫度也越低。在連續(xù)冷卻時(shí)，魏氏組織只能在一定的冷卻速度下形成，速度過(guò)快或是過(guò)慢都不會(huì)形成。速度慢時(shí)易形成網(wǎng)狀鐵素體，過(guò)快冷卻使碳原子來(lái)不及充分?jǐn)U散阻止魏氏體的形成[4]。在正常的奧氏體晶粒度下，碳含量在0.15%～0.35%和較快的冷卻速度下會(huì)形成魏氏體組織。

根據(jù)魏氏體形成的條件，推測(cè)可能的原因?yàn)樵诔跏己附舆^(guò)程中，焊道附近的金屬經(jīng)受了強(qiáng)烈的焊接熱循環(huán)過(guò)程，產(chǎn)生了一系列的物理和化學(xué)變化，引起三通組織結(jié)構(gòu)的變化。

3.5 掃描電鏡

利用線切割設(shè)備，將裂紋整體切割并打開(kāi)，使用掃描電鏡對(duì)斷面形貌進(jìn)行微觀形貌檢測(cè)，裂紋源、裂紋源附近放射線及內(nèi)壁韌窩形貌照片如圖5～圖7所示。

圖5 裂紋源

從圖5 和圖6 可以看出，斷裂面上下兩部分能很好吻合，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性變形；斷口宏觀形貌顯示斷口平齊，斷口干凈無(wú)附著物，邊緣剪切唇區(qū)域小，放射性明顯且較為粗大。通常棱線的收斂方向指向斷裂源所在的部位，因此發(fā)現(xiàn)起裂源位于外壁表面0.1 mm。從圖7 的斷口顯微組織可以看出，斷口裂紋源區(qū)呈沿晶斷裂。金屬的沿晶斷裂歸入脆性斷裂失效范疇，因此該斷口為脆性斷裂。同時(shí)結(jié)合金相組織和成分分析，在裂紋兩側(cè)有硫化物和碳化物夾雜，弱化了材料的性能，碳化物較脆且分布在晶界，因此優(yōu)先沿晶界斷裂[5]。

圖6 裂紋源附近放射線

圖7 內(nèi)壁韌窩形貌

4 腐蝕原因分析

對(duì)裂紋宏觀和微觀分析結(jié)果表明，三通管件出現(xiàn)裂紋與材料本身的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

化學(xué)成分分析表明，材料中C 和S 元素偏高；裂紋附近硬度接近180 HB，超過(guò)了GB/T 12459—2005 對(duì)16Mn 鋼管件的布氏硬度≤170 HB 的規(guī)定要求。材料的硬度與其顯微組織有關(guān)，經(jīng)分析三通管件裂紋處的顯微組織為粒狀貝氏體和魏氏組織；粒狀貝氏體和魏氏組織使三通的硬度增加，力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低。三通輸送的介質(zhì)為乙二醇貧液（含水21%），運(yùn)行壓力10 MPa，內(nèi)壁承受了一定的應(yīng)力，外界壓力增加了三通缺陷處開(kāi)裂的敏感性。

失效管件S 元素含量超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，尤其是外壁A類(lèi)（硫化物）非金屬夾雜物較多，同時(shí)伴有D類(lèi)氧化物存在，破壞金屬的連續(xù)性，導(dǎo)致應(yīng)力集中，在三通主管與支管交匯處的外壁產(chǎn)生裂紋源，由于整個(gè)壁厚都存在魏氏體組織，使得三通韌性下降、脆性增加，隨著使用時(shí)間的增加裂紋不斷向內(nèi)壁擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)壁厚，結(jié)合宏觀觀察，整個(gè)面斷口平齊，符合脆性斷口特征。

5 結(jié)束語(yǔ)

三通管件產(chǎn)生魏氏組織的原因主要是現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中支管焊接部位較接近三通裂紋部位，焊接過(guò)程中，由于焊接溫度過(guò)高，熱量快速傳遞到頸部，頸部溫度過(guò)高，引起相變產(chǎn)生魏氏組織。在焊接安裝之前，建議進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，工藝評(píng)定中需要對(duì)頸部取樣進(jìn)行顯微組織檢查，要求焊接部位及周?chē)M織不產(chǎn)生魏氏體組織。