16Mn鋼彎管的開裂原因

肖雯雯,杜志杰2,葛鵬麗,吳曉嫻2,曾文廣

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，烏魯木齊 830011； 2. 西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，西安 710065)

隨著油氣田開采深度的增加，油氣介質含量不斷提高，油氣采集、處理和運輸等設備的腐蝕開裂等問題屢有發生，這就要求材料的性能不斷提升[1-4]。某氣田集氣站中尺寸為φ114.3 mm×5.5 mm，材質為16Mn鋼的埋地熱煨彎管在使用2 a后發生泄漏。針對這一現象，本工作對失效彎管進行了分析，確定失效類型和失效原因，以期為后期管線的安全運行和維護提供依據。

失效彎管所在管線埋于河床下，外覆保溫層和水泥保護層，管內輸送介質為天然氣，組分見表1，管線解堵作業時管內流經介質為甲醇和污水。管內溫度常年保持在10 ℃，運行壓力為5.5 MPa。

表1 天然氣成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of the nature gas(mass fraction) %

1 形貌分析

1.1 宏觀形貌

由圖1可見：失效彎管總長1 230 mm，外壁60%區域存在黑色防腐蝕層，40%區域防腐蝕層已脫落。由圖2可見：未脫落的防腐蝕層與管體外壁已發生剝離。清除防腐蝕層后，彎管外壁存在黃褐色腐蝕產物，外壁外弧側存在橫向裂紋，見圖3。

對失效彎管進行磁粉探傷，結果表明：失效彎管外弧側距焊縫385 mm位置存在1條環向裂紋，裂紋長度約為120 mm；最外側裂紋平直，距環向開裂部位245 mm處外弧側外壁存在多條環向微裂紋，見圖4。

圖1 失效彎管的宏觀形貌Fig. 1 Macro morphology of the failed bent pipe

圖2 彎管外壁防腐層剝離形貌Fig. 2 Peeling appearance of anti-corrosion layer on the outer wall of the bent pipe

圖3 清除防腐層后的彎管外壁形貌Fig. 3 The appearance of the outer wall of the bent pipe after removing the anti-corrosion layer

(a) 裂紋

(b) 微裂紋圖4 失效彎管的磁粉探傷結果Fig. 4 Magnetic particle inspection results of the failed bent pipe：(a) crack; (b) microcracks

打開圖4中的裂紋與微裂紋，并對裂紋形貌進行觀察，見圖5和圖6。結果表明：裂紋呈人字紋花樣，屬脆性裂紋，根據人字紋的收斂方向可確定裂紋源在外壁，見圖5中標記處。圖中黑色區域為原始微裂紋的斷面，深度為0.5 mm。

圖5 裂紋的宏觀形貌Fig. 5 Macro morphology of crack

圖6 微裂紋的宏觀形貌Fig. 6 Macro morphology of microcracks

1.2 彎管尺寸

測量了裂紋附近彎管段和遠離裂紋直管段的壁厚，結果見表2。由表2可見：彎管段各象限壁厚偏差較大，外弧側壁厚最小，約為內弧側壁厚的74%；直管段各象限壁厚偏差較小。彎管的壁厚減薄率為14.9%，不符合SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應加熱彎管》的要求。

表2 彎管的壁厚測量結果Tab. 2 Wall thickness measurement results of bent pipe mm

2 理化檢驗

2.1 化學成分

依據GB/T 6479—2000《高壓化肥設備用無縫鋼管》標準要求，在彎管上取樣，用ARL-3460直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果見表3。由表3可見：彎管的化學成分符合標準要求。

表3 彎管的化學成分Tab. 3 Chemical composition of the bent pipe %

2.2 力學性能

分別在彎管的內弧側、中性面和外弧側取樣，進行拉伸、沖擊和硬度試驗。熱煨彎管執行標準為GB/T 6479—2000《高壓化肥設備用無縫鋼管》，彎頭執行標準為SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應加熱彎管》。

拉伸試驗采用縱向板狀試樣，標距段寬度為19 mm，試驗溫度為室溫，結果見表4；維氏硬度試驗分別在彎管的外弧側、中性面和內弧側取硬度塊，硬度塊高度20 mm，硬度試驗結果見表5；沖擊試驗采用縱向夏比沖擊試樣，尺寸為3.3 mm×10 mm×55 mm，沿壁厚方向開V型缺口，試驗溫度為21 ℃，結果見表6。

表4 拉伸試驗結果Tab. 4 Tensile test results of the bent pipe

由表4可知：彎管外弧側、中性面和內弧側屈服強度均滿足要求，抗拉強度均遠高于標準上限要求，且外弧側抗拉強度最高，斷后伸長率均不滿足要求。由表5可知：彎管外弧側、中性面和內弧側的內外層維氏硬度均不滿足標準要求。由表6可知：彎管內弧側、中性面和外弧側沖擊吸收功均不滿足標準要求；彎管外弧側的沖擊吸收功的平均值最高，中性面的沖擊吸收功平均值最低，且很不穩定；中性面第2個和第3個試樣的沖擊吸收功相當低，其沖擊斷口剪切面積均為0，全為脆性斷口，沖擊斷口的微觀特征為解理花樣，不滿足標準要求(單個試樣斷口剪切面積≥40%)。

表5 硬度試驗結果(HV10)Tab. 5 Hardness test results of the bent pipe(HV10)

表6 沖擊試驗結果Tab. 6 Impact test results of the bent pipe

2.3 金相組織

在遠離裂紋的直管段內弧側、中性面和外弧側取樣，進行顯微組織觀察和晶粒度評級。由圖7可知，直管段內弧側、中性面和外弧側的組織均為鐵素體+珠光體，晶粒度均為9.0級。

(a) 內弧側

(b) 中性面

在彎管段附近內弧側、中性面和外弧側取樣，在金相顯微鏡下觀察其組織形貌。由圖8可見：彎曲段內弧側、中性面、外弧側的組織均為馬氏體+少量貝氏體。依據GB/T 6479—2000《化肥用高壓無縫鋼管》標準，16Mn母管的熱處理狀態為回火，金相組織應為珠光體+鐵素體，而失效彎管的外弧側和內弧側母材金相組織存在大量馬氏體，這不符合標準要求。

(a) 內弧側，外表面

(b) 內弧側，內表面

(c) 中性面，外表面

(d) 中性面，內表面

(e) 外弧側，外表面

(f) 外弧側，內表面

分別對彎曲段內弧側、中性面和外弧側進行晶粒度評級，結果表明，內弧側晶粒度為7.5級，中性面晶粒度為7.0級，外弧側晶粒度為5.0級。因此，外弧側晶粒度不滿足標準要求(≥6.0級)。

3 微觀形貌

在彎管外壁微裂紋區域取樣，采用金相顯微鏡觀察其形貌，發現外壁存在多條微裂紋，見圖9。由圖10 可見：微裂紋兩側組織均為馬氏體，外壁微裂紋呈分枝狀且以沿晶方式擴展；微裂紋兩側未發現氧化和脫碳現象；微裂紋起源于微小腐蝕坑。

圖9 彎管外壁微裂紋形貌(100×)Fig. 9 Micro-crack morphology of the outer wall of the bent pipe (100×)

圖10 微裂紋區域的組織形貌(500×)Fig. 10 Microstructure at the area of microcracks (500×)

在微裂紋斷口上取樣，采用掃描電子顯微鏡觀察其斷口形貌，并對其進行能譜分析。結果表明：斷口微觀形貌為沿晶特征，微裂紋表面覆蓋物主要含有O和Fe，同時含有少量Cl元素，見圖11。

由圖12和13可見：貫穿裂紋表面腐蝕產物主要含有O和Fe，還發現少量Cl元素，而管體外壁腐蝕產物中未發現Cl元素。

4 討論

4.1 熱煨彎工藝不合理是彎管開裂的主要原因

失效彎管外弧側、中性面、內弧側的抗拉強度遠高于標準上限要求，斷后伸長率低于標準下限要求，沖擊吸收功均低于標準下限要求。這是因為外弧側、中性面、內弧側的金相組織全為馬氏體，高硬度、低韌性的馬氏體是影響彎管綜合性能的主要因素，這些區域在承受較大外力的狀態下容易產生裂紋。據此可以推測該彎管的熱煨彎工藝是不合理的。

圖11 微裂紋斷口表面形貌及能譜分析結果Fig. 11 Fracture surface morphology and EDS results of microcracks

圖12 貫穿裂紋表面腐蝕產物的能譜分析結果Fig. 12 EDS results of corrosion products running through the crack surface

圖13 管體外壁腐蝕產物的能譜分析結果Fig. 13 EDS results of corrosion products on the surface of outer wall of bent pipe

失效彎管外壁微裂紋兩側未發現脫碳和氧化現象，因此推測這些微裂紋不是在熱煨彎過程中或之前形成的，而是在服役過程中產生的。

失效彎管斷口紋路收斂于外弧側外壁，且外弧側外壁存在較多環向微裂紋，這些特征均表明裂紋起源于外弧側外壁。而該區域的組織為高硬度、低韌性的馬氏體，這為彎管的開裂提供了內部組織條件。

4.2 高強度彎管在土壤中發生應力腐蝕

宏觀分析可知，失效彎管外弧側多條微裂紋表面開裂呈多源特征，貫穿裂紋和微裂紋表面存在黑色腐蝕產物；金相分析可知，微裂紋擴展呈分枝狀，沿晶特征；微觀分析可知，裂紋斷口微觀形貌為沿晶特征，裂紋表面腐蝕產物中含有Cl元素。這些特征均符合應力腐蝕開裂特征。

熱煨彎過程會產生殘余應力，在熱煨彎過程中，彎管外弧側外壁承受的拉應力最大，內弧側外壁承受的壓應力最大，其應力分布如圖14所示。熱煨彎結束后未采取相應的去應力處理，會導致彎管存在較大的殘余應力，而外弧側外壁存在較大的殘余拉應力。該殘余拉應力為彎管的應力腐蝕開裂提供了載荷。

圖14 彎管在加工過程中的應力分布Fig. 14 Stress distribution of bent pipe during processing

該彎管埋藏于河床附近，土壤含水量較大。彎管外壁防腐層已發生剝離，土壤中的水分通過剝離防腐層與管體之間的間隙，形成滯留水，滯留水中溶解了土壤中的鹽類，含有大量離子，為彎管電化學腐蝕提供了環境。清除防腐蝕層后，彎管外壁腐蝕較為嚴重，存在微小腐蝕坑，這些腐蝕坑底部存在應力集中，在拉應力和腐蝕的聯合作用下，容易產生應力腐蝕裂紋。該彎管微裂紋表面腐蝕產物中含有Cl元素，而彎管外壁腐蝕產物中未發現Cl元素，這些特征表明彎管裂紋面存在Cl元素富集，這正是電化學反應過程中Cl-由管外溶液向裂紋尖端擴散的證據。彎管外壁所處溶液中氧供應較充分，形成大陰極；裂紋尖端為閉塞區，發生金屬溶解的陽極反應，即小陽極。大陰極-小陽極使得裂紋尖端腐蝕溶解加快，拉應力作用使得裂紋擴展，最終貫穿壁厚而導致管線泄漏。

失效彎管正常組織為鐵素體+珠光體，抗拉強度為490～675 MPa，在中性土壤和低應力的條件下，敏感性較低，發生應力腐蝕開裂的可能性幾乎為0；當彎管組織中含有大量晶粒粗大的馬氏體，抗拉強度達到1 420 MPa，在含有Cl-的土壤環境中，應力腐蝕敏感性較高，會發生應力腐蝕開裂。

綜上分析，可以推知該彎管開裂的主要原因為熱煨彎工藝不合理，導致彎管組織異常，含有大量粗大晶粒馬氏體；由于彎管外壁防腐層剝離，土壤中的水分接觸管體外壁，形成電化學腐蝕環境；在外加載荷和殘余應力的聯合作用下，彎管外弧側外壁產生裂紋，并擴展貫穿壁厚，最終導致管線發生泄漏。

5 結論

(1)失效彎管的拉伸性能不滿足GB/T 6479-2000標準對16Mn鋼的要求，沖擊吸收功和維氏硬度不滿足SY/T 5257—2012標準規定。

(2)失效彎管組織異常(16Mn母管的熱處理狀態為回火，正常組織為珠光體+鐵素體)，外弧側、中性面和內弧側全為馬氏體組織+少量貝氏體，外弧側晶粒粗大。

(3)彎管失效的機理為應力腐蝕開裂，失效的主要原因為：熱煨彎工藝不合理，導致彎管組織異常，含有大量粗大晶粒馬氏體，導致材料強度和硬度過高；由于彎管外壁防腐層剝離，土壤中的水分接觸管體外壁，形成電化學腐蝕環境；在外加載荷和殘余應力的聯合作用下，彎管外弧側外壁產生裂紋，并擴展貫穿壁厚，最終導致管線發生泄漏。