某輸氣管線環焊縫泄漏失效分析

張 良，羅金恒，任國琪，張 皓

(中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077)

某輸氣管線環焊縫泄漏失效分析

張 良，羅金恒，任國琪，張 皓

(中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077)

為了分析某輸氣管線環焊縫泄漏失效原因，預防類似事件發生，通過磁粉檢測、夏比沖擊功測試、金相分析和掃描電鏡等方法對環焊縫泄漏原因進行了分析。結果表明：環焊縫存在原始裂紋是管線發生泄漏的主要原因，受補焊作業影響，原始裂紋在焊接時已經形成，在附加應力、運行壓力及焊接殘余應力的共同作用下，焊接裂紋優先在晶粒粗大和高應力處等敏感位置相互連接，最終發生泄漏。建議提高管線焊接質量，并加強無損檢測力度。

管線；環焊縫；補焊；原始裂紋；泄漏

世界經濟的飛速發展對石油天然氣的需求與日俱增，管道輸送作為最為經濟和安全的輸送方式，在近50年得到了快速發展。由于焊接接頭由母材、焊縫及熱影響區組成，各部分的力學性能存在一定差異，從而焊接結構的穩定性也會受到焊接接頭材料不均勻性的影響[1]。相比較而言，鋼管作為一個整體，其結構穩定性要高于環焊縫，所以環焊縫就成為整條管線結構的薄弱環節。

據統計，環焊縫失效的主要原因為焊接質量不穩定，特別是根焊、返修及補焊質量較差，也有個別是附加載荷引起的，其防治重點應放在管線建設質量控制上[2]。本研究對某輸氣管線環焊縫泄漏原因開展失效分析，為油氣管道安全運行提供參考。

1 宏觀分析及磁粉檢測

1.1 宏觀分析

某輸氣管線直管段與彎頭連接處環焊縫發生泄漏，直管段是L450鋼級Φ864mm×8.8mm直縫埋弧焊管，彎管段是L450鋼級Φ864mm×14mm熱煨彎頭。在現場割管、換管時管道發生回彈，回彈量約300mm，說明存在附加彎曲應力[3]。另外，從環焊縫內表面的焊瘤處發現環焊縫存在補焊痕跡，補焊長度約200mm。環焊縫內表面形貌如圖1所示。

1.2 磁粉檢測

采用CJZ-212E型磁粉檢測儀，依據標準SY/T 4109—2005《石油天然氣鋼質管道無損檢測》對環焊縫內、外表面進行磁粉檢測，檢測結果如圖2所示。從圖2可看出，泄漏裂紋在環焊縫外表面的長度為105mm，內表面長度為220mm，裂紋位于直管側焊趾處。

圖1 環焊縫內表面形貌

圖2 環焊縫磁粉檢測照片

2 性能測試

為了分析環焊縫性能，在管線未泄漏部位取夏比沖擊和金相試樣，在裂紋處取金相試樣和電鏡試樣，分析裂紋周圍組織及斷口形貌。

2.1 夏比沖擊試驗

采用PIT752D-2(300J)型沖擊試驗機，依據GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對環焊縫及其熱影響區進行夏比沖擊試驗。試驗溫度為-40℃，夏比沖擊試樣規格為55mm×10mm×5mm，試驗結果見表1。從表1可以看出，環焊縫夏比沖擊功滿足標準要求。

表1 輸氣管線環焊縫夏比沖擊試驗結果

2.2 金相分析

采用MeF4M金相顯微鏡及圖像分析系統，依據GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》對環焊縫未泄漏部位進行金相分析。結果表明：環焊縫未泄漏部位組織無異常，環焊縫外焊縫組織為粒狀貝氏體，內焊縫組織為針狀鐵素體+珠光體(PF+P)；外焊縫熔合區組織為粒狀貝氏體(B粒)，內焊縫熔合區組織為針狀鐵素體+珠光體(PF+P)；細晶區組織為針狀鐵素體+珠光體(PF+P)。

環焊縫剖面低倍形貌如圖3所示。從圖3可以看出，彎頭與直管壁厚相差較大，彎頭壁厚為14.16mm，直管壁厚為8.77mm，兩者壁厚相差5.39mm。管線設計要求采用壁厚為12.5mm的直管與彎頭連接，說明現場未按照設計要求施工。另外，由于壁厚相差較大，該環焊縫在壁厚較薄的直管側存在一定應力集中[4]。

圖3 環焊縫剖面低倍形貌

3 裂紋分析

3.1 宏觀觀察

環焊縫斷后宏觀形貌如圖4所示。從圖4(a)可以看出，清洗前斷口表面覆蓋一層淺黃色的腐蝕產物，可能為泄漏裂紋形成后氧化腐蝕所致；彎頭側環焊縫內表面存在大量焊瘤，初步判斷是由補焊產生；另外，可以明顯地看出彎頭與直管壁厚相差較大。從圖4(b)可以看出，斷口表面淺黃色的腐蝕產物已去除，說明該腐蝕產物是環焊縫發生泄漏后發生氧化腐蝕形成的銹蝕；整個斷口呈灰黑色，與機械掰斷后形成的新鮮斷口呈鮮明對比，一般來說，灰黑斷口表面的灰黑色產物為高溫氧化所致[5]，這與環焊縫受到補焊熱處理的情況吻合，說明原始裂紋極有可能在補焊前或補焊時已經形成。

圖4 清洗前后環焊縫斷口宏觀形貌

3.2 微觀形貌分析

采用TESCAN-VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡對斷口進行微觀形貌觀察及能譜分析，分析結果如圖5和圖6所示。圖5中斷口沿壁厚方向可分為3個區域，根據環焊縫的焊接步驟可知，這3個區域分別為根焊、填充焊和蓋面焊。斷口根焊區臺階較多，并且裂紋起源于根焊位置；填充焊區較為平坦，填充焊與蓋面焊過渡區亦為臺階形貌，蓋面焊區則較為平齊。如圖6所示，受腐蝕影響，源區斷口形貌已無法看清，能譜分析結果顯示該位置主要成分為Fe、O、S和Si，氧化鐵是源區和斷口灰黑色產物的主要成分，S則來源于輸送介質，在運行過程中發生化學反應形成硫化物，說明裂紋在運行時已經形成。

圖5 環焊縫斷口微觀形貌

圖6 斷口源區能譜分析結果

3.3 裂紋剖面分析

圖7 裂紋尖端剖面分析

裂紋尖端剖面分析結果如圖7所示。從圖7(a)低倍觀察可以看出，環焊縫泄漏位置有明顯二次熱處理痕跡，是典型的補焊返修特征，從根焊形貌及熱處理痕跡來看，是將原焊縫刮除后進行的補焊作業；裂紋起源于壁厚較薄的直管側根焊焊趾處，但裂紋并未沿焊縫的熔合區繼續擴展，而是穿過焊縫擴展，說明裂紋擴展時所受應力較大。圖7(b)裂紋高倍分析可以看出，裂紋尖端兩側組織不同，一側為正常的鐵素體+珠光體(PF+P)，另一側為針狀鐵素體+鐵素體+魏氏鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體(IAF+PF+WF+B粒+P)，受補焊影響，B粒和WF組織較為粗大，會降低材料韌性[6]。

4 分析討論

焊縫斷口表面灰黑色一般是由高溫氧化所致，能譜分析也證實了灰黑色產物為鐵的氧化物，由此可以判斷裂紋形成時(或形成后)曾受到高溫氧化，而泄漏處曾進行過補焊作業，說明泄漏裂紋是在補焊時(或補焊前)形成[7]，即該環焊縫泄漏是由于存在原始裂紋所致[8-9]。

環焊縫開裂位于直管側根焊焊趾處，由于環焊縫兩側壁厚相差較大，在直管側焊趾處形成應力集中，并且環焊縫受到不合規的補焊作業影響，在焊縫與母材熔合區存在粗大的B粒和WF組織，不良組織使得材料抗脆性起裂及擴展的能力下降[10-11]；裂紋由根焊焊趾處起裂，但未沿熔合區(焊縫的薄弱區域)擴展，說明環焊縫受到應力較大，在現場割管、換管時管道發生回彈，即證實了環焊縫受到了橫向附加載荷。因此，在不良組織、應力集中、附加載荷、運行壓力及焊接殘余應力等因素的綜合作用下，裂紋穿透環焊縫，最終發生泄漏。

5 結論及建議

環焊縫發生泄漏是由于焊縫存在原始裂紋所致。受補焊作業影響，原始裂紋在焊接時已經形成，在附加應力、運行壓力及焊接殘余應力的共同作用下，焊接裂紋優先在晶粒粗大和高應力處等敏感位置相互連接，最終發生泄漏。由于原始缺陷在補焊時已經形成，但補焊后環焊縫無損檢測并未查出該裂紋，建議提高環焊縫焊接質量，嚴格控制焊接工藝，加強無損檢測力度。

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Leakage Failure Analysis of Some Gas Transportation Pipeline Circumferential Weld

ZHANG Liang,LUO Jinheng,REN Guoqi,ZHANG Hao
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In order to analyze the leakage failure reason of some gas transportation pipeline circumferential weld and prevent the similar incidents.The leakage failure reasons of circumferential weld were analyzed by magnetic particle testing,Charpy impact test,metallographic examination and scanning electron microscopy.The results showed that the original crack existingin circumferential weld is the main reason.Influenced by repair welding operation,the original crack formedin the welding.Under the combined action of the additional stress,running pressure,and welding residual stress,the welding cracks were interconnectedin some sensitive positions,priorityin coarse grains and high stress areas,eventually leaked.It is suggested that to improve the quality of pipeline welding,and strengthen the nondestructive testing.

pipeline;circumferential weld;repair welding;original crack;leakage

TG455

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.015

張 良(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事油氣輸送管道安全評價與失效分析工作，發表論文10余篇。

2016-08-22

李 超