L 360螺旋焊熱煨彎管外弧產生裂紋的原因分析

榮 明 鮮 寧 張楠革 張 麗 周輝輝

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院， 四川 成都 610213；3.長慶油田礦區服務事業部興隆園物業服務處， 陜西 西安 710018；4.杭州汽輪輔機有限公司， 浙江 杭州 310022

?

L 360螺旋焊熱煨彎管外弧產生裂紋的原因分析

榮 明1鮮 寧1張楠革2張 麗3周輝輝4

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院， 四川 成都 610213；3.長慶油田礦區服務事業部興隆園物業服務處， 陜西 西安 710018；4.杭州汽輪輔機有限公司， 浙江 杭州 310022

某制造廠在用L 360螺旋焊管生產熱煨彎管的過程中發現彎管出現裂紋現象，對彎管母管進行理化檢驗和金相分析，確認母管材質符合標準要求。采用金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)對裂紋斷口的組織結構、微觀形貌以及裂紋區域的化學成分分布進行檢測分析，發現裂紋源區有Cu污染，并結合熱煨彎管的制造過程，對熱煨彎管開裂的原因進行深入討論。研究結果顯示：母管表面的Cu污染是造成彎管在煨制過程中開裂的主要原因，提出了相應的生產質量控制措施。

熱煨彎管；裂紋；Cu污染；螺旋焊管

0 前言

某制造廠采用Φ 406×10的L 360螺旋焊管通過感應加熱進行熱煨彎管制造，生產出來的彎管在后期的無損檢驗中發現存在大量缺陷。表面探傷發現部分彎管外表面有裂紋存在，裂紋位于受彎曲拉應力的外弧側，大部分裂紋沿環向分布。根據文獻資料[1-9]，彎管在制造過程中，很多因素都可能影響彎管質量，彎管質量將影響管網運行安全。為了提高彎管質量，本文對彎管產生裂紋的原因進行分析，以期為熱煨彎管生產制造質量控制提供參考。

1 熱煨工藝和試驗材料

彎管材質為L 360，生產工藝流程為：原材料入廠檢驗—投料—熱煨彎制—消應力退火—噴砂—檢測。熱煨工藝采用中頻感應加熱，溫度控制在900～1 000 ℃，邊加熱邊彎曲邊噴水冷卻，冷卻介質為清水，然后585 ℃消除應力退火。彎管外弧受拉面存在裂紋，多數為環向，最長約20 mm，但也有龜裂狀的，方向與彎管時的拉應力垂直。

選取母管1根、沒有裂紋的彎管1只、帶裂紋的彎管2只進行取樣分析，彎管分別在直管段和外弧側取樣。母管樣品、彎管直管段樣品分別進行金相組織和理化性能測試，帶裂紋的彎管在裂紋處取樣，采用SEM和EDS進行形貌和化學成分分析。

2 彎管裂紋原因分析

2.1 L 360母管材質分析

根據劉迎來等人[1]對X 70熱煨彎管開裂原因的分析，母管中的夾渣會造成彎管開裂，因此，本次分析首先復驗了母管的質量。對母管、開裂彎管的直管取樣進行化學成分、力學性能測試，測試結果顯示：兩種被測樣品的化學成分和力學性能基本一致，均符合GB/T 9711-2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》標準的要求。同時，對兩個樣品的微觀組織結構進行分析，其測試結果顯示，兩樣品的金相組織和硬度基本一致，金相組織良好，均為鐵素體+珠光體，晶粒細小均勻，未見非金屬夾雜，硬度在170 HV 10～180 HV 10之間。此外，采用超聲波和磁粉探傷對母管進行無損檢測，未發現母管表面和內部存在原始裂紋。

母管材質分析表明，用于制造彎管的母管符合標準要求，且金相組織良好，可以排除因母管質量問題導致熱煨彎管開裂。

2.2 彎管裂紋分析

對可開裂彎管進行宏觀檢查發現：裂紋表面附近區域與其他區域顏色存在差異，隱約可見呈銅褐色。為進一步查明熱煨彎管失效的真正原因，沿開裂彎管的開裂部位進行取樣。裂紋位于外弧承受拉應力的表面，裂紋沿環向長大約12 mm(垂直于拉應力)，深約3 mm，裂紋沿深度方向的宏觀特征見圖1，裂紋尖端特征見圖2。

圖1 裂紋宏觀特征(沿深度方向)

圖2 裂紋尖端特征

為了弄清裂紋內部的特征，沿壁厚方向剖開裂紋斷口，在斷口面發現：近表面的斷口大多覆蓋一層銅褐色的薄膜，隨著裂紋深度向內擴展，逐漸變色，至裂紋深處時，斷口表面則覆蓋一層黑褐色的薄膜。采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)技術，對不同深度斷口面的微觀形貌和微區化學成分進行分析。在去除斷口表面薄膜前，斷口在掃描電鏡(SEM)下的微觀形貌見圖3。由圖3可見，裂紋斷口表面大都覆蓋一層薄膜，采用EDS對斷口表面微區的化學成分進行分析，結果見圖4。由圖4可見，裂紋斷口的化學成分主要為Fe、O、Cu。裂紋源處和裂紋深處均檢測到Cu元素的存在，其含量存在明顯差異且遠高于母材的Cu含量，見表1。綜合斷口宏觀檢查時觀察到顏色變化趨勢，可推斷斷口表面的薄膜主要為銅和氧化物。

a)裂紋源處

b)裂紋深處圖3 除去表面薄膜前斷口的SEM照片

a)裂紋源處

b)裂紋深處圖4 EDS測試結果

表1 微區化學質量成分 ()

去除斷口表面薄膜后，再采用SEM觀察斷口的微觀形貌。裂紋斷口表面依然可見未完全除去的薄膜，斷口表面二次裂紋被觀察到，沿晶開裂的微觀特征也被觀察到，見圖5。更高放大倍數下的斷口沿晶開裂特征見圖6。

a)裂紋源處

b)裂紋深處圖5 裂紋斷口的SEM照片

圖6 冰糖狀沿晶開裂的斷口特征

3 產生裂紋的原因分析

根據對裂紋斷口的微觀形貌和微區化學成分分析，在斷口表面存在Cu元素，斷口呈現沿晶斷裂特征，分析表明：本次彎管出現裂紋主要是由于液態金屬脆化引起，即銅脆。對母材的金相組織和理化性能測試結果表明：Cu不是來自母材自身，而是源自外部。綜合彎管宏觀檢查結果，焊管表面局部區域發現有銅，從其制造過程分析，可能是焊接時焊接電纜膠皮破損，露出銅線，與焊管接觸打弧，銅線熔化粘在焊管表面。

銅的熔點為1 083 ℃，本次熱煨彎管工藝的感應溫度在900～1 000 ℃。然而，在煨制過程中，加熱溫度可能會有一定波動，此外，材料在變形過程中也會因釋放變形能而導致溫度升高，從而使得彎管外弧側的實際溫度可能會高于1 083 ℃，導致Cu熔化并沿晶界滲入L 360螺旋管基體，弱化管體力學性能。

根據冶金過程熱力學[10]，Cu和Fe的氧化物的標準生成自由能分別為：

ΔF0=-80 000+34.6T

(1)

ΔF0=-124 100+29.9T

(2)

由式(1)、(2)可見，Cu2O相比FeO具有更高的穩定性，因此，Fe會被優先氧化，導致裂紋斷口表面覆蓋Fe的氧化物和富集Cu。

在熱煨彎制過程中，彎管外弧側受彎曲拉應力，由于Cu浸入基體使得晶粒間的結合力被弱化，在拉伸應力作用下使得基體導致沿晶型裂紋。在消應退火時，由于空氣進入裂紋縫隙，裂紋表面進一步氧化，對裂紋有撐開的效果，致使原來不明顯的裂紋變得明顯可見。

該制造廠再次采用相同的生產工藝進行熱煨彎管制造，在生產過程中避免了Cu的影響，生產出來的彎管全部合格。

4 結論與建議

L 360螺旋管管體表面的Cu污染是導致在熱煨彎制過程彎管出現裂紋的主要原因，實際生產中應避免任何與Cu接觸的環節。

為了進一步加強彎管生產質量控制，用于制造彎管的母管在制造、搬運、裝卸過程中不允許與低熔點金屬接觸，否則應采用噴砂等適當方法清除，以免造成彎管不合格。

[1] 劉迎來，李為衛.管道工程用X 70鋼熱煨彎管開裂分析[J].金屬熱處理，2008，33(4)：88-92. Liu Yinglai, Li Weiwei. Cracking Analysis of X 70 Steel Induction Heat Bend Pipe Used for Pipeline Engineering[J]. Heat Treatment of Metal, 2008, 33 (4): 88-92.

[2] 曹曉燕，李天雷，羅光文.熱煨彎管產生裂紋的原因分析[J].天然氣與石油，2011，29(1)：59-62. Cao Xiaoyan, Li Tianlei, Luo Guangwen. Analysis on the Reasons Causing Cracks in Hot Bends[J]. Natural Gas and Oil, 2011, 29 (1): 59-62.

[3] 王 斌，周 翠，楊 笠，等.L 415 M管線鋼熱煨彎管裂紋分析[J].金屬熱處理，2013，38(8)：123-126. Wang Bin, Zhou Cui, Yang Li, et al. Cracking Analysis of Induction Heating Bended L 415 M Pipeline Steel[J]. Heat Treatment of Metal, 2013, 38 (8): 123-126.

[4] 霍向東，郭 林，黎劍鋒，等.X 70管線鋼熱煨彎管的外弧裂紋分析[J].熱加工工藝，2012，41(13)：220-225. Huo Xiangdong, Guo Lin, Li Jianfeng, et al. Cracking Analysis on External Arc of Induction Heat Bend X 70 Steel Pipe[J]. Hot Working Technology, 2012, 41 (13): 220-225.

[5] 張亞峰，楊社民，王耀光，等.Cu污染造成的感應加熱彎管裂紋分析[J].焊管，2012，36(12)：56-59. Zhang Yafeng, Yang Shemin, Wang Yaoguang, et al. Cracks Analysis of Induction Heating Bend Caused by Cu Contamination[J]. Welded Pipe and Tube, 2012, 36 (12): 56-59.

[6] 王高峰，王曉江，梅 濱，等.X 70螺旋縫焊管焊縫橫向裂紋分析[J].焊管，2013，36(3)：39-44. Wang Gaofeng, Wang Xiaojiang, Mei Bin, et al. Analysis on Transverse Crack of X 70 SAWH Pipe Weld[J]. Welded Pipe and Tube, 2013, 36 (3): 39-44.

[7] 羅繼輝.低碳鋼X 52熱煨彎管的熱處理工藝[J].熱處理技術與裝備，2009，30(1)：50-52. Luo Jihui. Heat Treatment of Hot Formed Bend in Low-carbon Steel X 5[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2009, 30 (1): 50-52.

[8] 耿明山，王新華，張炯明.鋼中殘余元素在連鑄坯和熱軋板中的富集行為[J].北京科技大學學報，2009,31(3)：26-31. Geng Mingshan, Wang Xinhua, Zhang Jiongming. Enrichment of Residual Elements in Continuously Cast Slabs and Medium Plates[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 31 (3): 26-31.

[9] 田晨超，許 飛，焦 磊，等.加熱溫度對X 80鋼級熱煨彎管組織性能的影響[J].焊管，2014，37(6)：11-16. Tian Chenchao, Xu Fei, Jiao Lei, et al. Effects of Heating Temperature on Microstructures and Properties of X80 Grade Hot-bending Bends[J]. Welded Pipe and Tube, 2014, 37 (6): 11-16.

[10] 魏壽昆.冶金過程熱力學[M].北京：科學出版社，2010. Wei Shoukun. Thermodynamics of Process Metallurgy[M]. Beijing: Science Press, 2010.

2015-09-27

國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發”(2011 ZX-05059)

榮 明(1986-)，女，湖北仙桃人，工程師，碩士，從事石油化工管道設備的設計與研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.015