埋地天然氣管道三通的失效分析

常 樂，錢英豪，周鵬飛，丁 毅，董金善

(1.南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京 210009;2.江蘇省特種設備檢測研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215128)

0 引言

某高壓燃氣管線定向穿越公路鋪設完工使用2年后，由于交通需要，在管道上方架設立交橋。立交橋基礎邊緣離三通設置處約0.5 m，管道上方距立交橋底部基礎約0.6 m，如圖1(a)所示。管道規格 ?168.3 mm ×6.4 mm，材質20#鋼，設計壓力4.0 MPa，三通管件壁厚8 mm，材質 L290，熱處理狀態為回火。橋梁上方經常有大型載重車輛通過，給管線施加了較大集中載荷，使用半年后三通發生斷裂失效。裂紋在直管段為環向裂紋，并沿著支管軸向發展，裂紋形貌如圖1(b)所示。為尋找三通斷裂原因，以便采取有效對策，避免今后類似事故的發生，對三通斷裂原因進行了分析。

1 試驗試樣制備和試驗方法

圖1 斷裂三通宏觀照片

首先對三通的斷口進行宏觀分析，然后對三通進行線切割取樣。從三通裂紋源區進行取樣，進行微觀斷口分析;在裂紋源區附近取1個樣，進行金相分析;在裂紋源區取3個樣，進行拉伸性能試驗。

分別采用XJZ－1A型金相顯微鏡對微觀組織進行分析，日本電子公司JSM－5610LV型掃描電鏡對斷口微觀形貌進行觀察，德國布魯克公司Q8MAGELLAN型直讀光譜儀對三通材料成分進行分析，WDW3100型微控電子萬能試驗機進行拉伸性能測試。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀斷口分析

開裂三通著色探傷照片見圖2(a)，可以看出，直管段與支管段過渡區環向裂紋深度較大(滲透量大)，而支管段軸向裂紋深度較淺(滲透量小)，表明裂紋可能起源于直管段與支管段過渡區。同時還發現主裂紋并非連續擴展，而是呈現多段階梯狀擴展，二次裂紋豐富。由于疲勞斷裂一般只有一條主裂紋，且很少見到二次裂紋，因此可以初步排除該三通疲勞斷裂的可能性［1］。

三通原始宏觀斷口形貌見圖2(b)，可以清楚看出斷口表面有明顯的人字形花紋，根據人字方向可以判斷，裂紋是在三通直管段和支管段過渡區管道外表面形成，隨后沿著支管軸向擴展，并同時向管道內表面深度方向擴展，直至穿透三通管壁導致天然氣泄漏。

圖2 斷裂三通斷口宏觀照片

2.2 微觀組織分析

圖3示出斷裂三通管裂紋附近金相組織為鐵素體與珠光體組織，并且鐵素體與珠光體都有大量的變形，有明顯的加工流線存在，表明三通在加工后未進行正火或者再結晶退火處理［1－2］，三通管的脆性和韌性不能得到恢復，三通管內部殘余加工應力也無法得到消除，存在安全隱患。

圖3 開裂管線三通金相顯微組織照片

三通開裂方向平行于加工流線方向，裂紋與加工流線中珠光體分布平行。加工流線也稱流紋，在加工時，金屬的脆性雜質被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布;塑性雜質隨著金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布，這樣熱鍛后的金屬組織就具有一定的方向性。加工流線使金屬性能呈現異向性;沿著流線方向(縱向)強度、塑性較高，而垂直于流線方向(橫向)抗拉強度、塑性較低。

從圖3中還可以看出，二次裂紋也跟加工組織流線保持一致，可見三通管內部的加工流線是導致三通管發生開裂的主要組織原因，而三通成型工藝不當導致材料發生嚴重的應變時效脆化是三通開裂的重要原因。

2.3 力學性能測試

在三通裂紋處截取試樣(見圖2(a))，分別進行拉伸試驗。由于受到三通管尺寸和形狀限制，力學性能試樣取樣部位位于三通直管段和支管段結合部，該區域也是屬于裂紋延伸段范圍，應具有較好的代表性;試樣取向為垂直于裂紋方向取樣，這樣才能較準確地反映裂紋區材料強度和斷裂性質。測得結果見表1。

表1 三通材料力學性能試驗結果

從表1可以看出，雖然三通管抗拉強度達到標準要求，但是塑性指標(伸長率)嚴重不達標，而且塑性也很不均勻，尤其2#試樣，伸長率僅為2.6%。同時，該三通管屈強比高達87%，安全塑性裕度也很有限，短暫過載沖擊即可能導致三通發生開裂。

2.4 微觀斷口掃描電鏡

圖4示出開裂三通的掃描電鏡(SEM)微觀斷口形貌圖。可以看出，三通管原始斷口具有典型的脆性準解理斷口形貌，微觀斷口表面基本由河流花樣組成，僅存在少量韌性撕裂痕跡，表明該三通管局部存在很高的脆性。同時，微觀斷口形貌分析并未發現疲勞輝紋，表明該三通管斷裂并非疲勞斷裂，而是一次性(或有限次數)脆性斷裂，斷裂周期很短，是由過載沖擊造成的。

圖4 三通管原始斷口SEM照片

3 結論和建議

(1)該三通屬于過載沖擊造成的脆性斷裂，裂紋源位于三通直管段和支管段過渡區管道上表面處(應力集中處)，隨后沿著支管軸向擴展，并同時向管道內表面深度方向擴展，直至穿透三通管壁導致天然氣泄漏。

(2)三通內部的加工流線是導致三通發生開裂的主要組織原因;三通成型工藝不當導致材料發生嚴重的應變時效脆化是三通開裂的重要原因。

(3)由于該高壓燃氣管道上方距立交橋底部基礎約0.6 m，最小覆土厚度不足，在設計載荷和車輛載荷作用下，三通上表面處產生較大的局部應力，同時由于該三通管存在很高的脆性，故導致脆性斷裂，斷裂周期很短，系由過載沖擊造成。

(4)建議三通管在擠壓加工過程中應嚴格保證正火熱處理狀態，然后進行回火處理，否則加工完成后應進行正火或再結晶退火熱處理，以消除加工流線，恢復塑性和合適的屈強比，保證三通的正常使用壽命。

(5)該高壓燃氣管道上方距立交橋底部基礎約0.6 m，不符合GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》［4］最小覆土厚度要求(不得小于 0.9 m)。建議該高壓燃氣管道外增加套管保護或增加管道埋地深度，以減小車輛載荷的影響，確保管道的安全運行。

［1］褚武揚，喬利杰，陳奇志，等.斷裂與環境斷裂［M］.北京:科學出版社，2000:25－26.

［2］武宏，彭建洪，許云華，等.強烈冷拉塑性變形及退火處理對珠光體鋼組織性能的影響［J］.材料與熱加工，2007，36(16):13 －15.

［3］GB/T 9711.1—1997，石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件［S］.

［4］GB 50028—2006，城鎮燃氣設計規范［S］.