X60M螺旋焊管泄露原因分析*

聶向暉，徐 斌，許 彥，劉迎來(lái)，李 亮，豐振軍

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.中國(guó)石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司，上海200120）

0 前 言

管材的內(nèi)在缺陷是影響管道安全的重要因素之一，在管材生產(chǎn)、制造不同階段產(chǎn)生的缺陷有不同的特征。因此，分析缺陷特征、尋找缺陷的產(chǎn)生原因，并采取必要的質(zhì)量保障措施，對(duì)于提高管材質(zhì)量、確保管道運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

某在建輸氣管道用X60M鋼級(jí)Φ508 mm×7.1 mm螺旋埋弧焊管，產(chǎn)品執(zhí)行GB/T 9711—2011[1]標(biāo)準(zhǔn)。該管道現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)施焊完成后進(jìn)行強(qiáng)度和嚴(yán)密性水壓試驗(yàn)，在保壓過程中發(fā)現(xiàn)壓力下降，經(jīng)巡查發(fā)現(xiàn)一處鋼管螺旋焊縫附近存在泄漏點(diǎn)。為查明管道泄漏原因，對(duì)該泄露管段進(jìn)行了理化檢驗(yàn)及失效分析。

1 泄露管段的宏觀檢查

泄漏鋼管為3LPE防腐管，鋼管未見明顯幾何變形，泄漏點(diǎn)距離管端約1 m。泄漏管段去除防腐涂層后的內(nèi)、外壁表面如圖1所示。由圖1可見，鋼管外表面距螺旋焊縫中心約36 mm處有一星型開裂 （見圖1（a））；對(duì)應(yīng)部位鋼管內(nèi)表面有明顯的灼傷痕跡，且沿管體縱向開裂 （見圖1（b））。

圖1 泄漏管段去除防腐涂層后內(nèi)、外表面

鋼管內(nèi)、外壁裂紋的宏觀形貌如圖2所示，其中外壁裂紋最大長(zhǎng)度為21 mm，內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)度為31 mm。鋼管內(nèi)壁距裂紋約6 mm處存在一處凹坑，最大直徑為2.4 mm （見圖2（b）），采用超聲波測(cè)厚儀對(duì)其壁厚進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得凹坑處管體壁厚為5.9 mm，其他位置管體壁厚為7.1 mm。

圖2 泄漏鋼管內(nèi)、外壁裂紋宏觀形貌

2 泄露管段理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)分析

在X60M鋼級(jí)Φ508 mm×7.1 mm泄漏管段管體上取樣，按照ASTM A751—2014標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其進(jìn)行化學(xué)分析，分析結(jié)果見表1。由表1可以看出，該泄漏管段管體的化學(xué)成分符合GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 X60M鋼級(jí)Φ508 mm×7.1 mm泄漏管段管體化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2 力學(xué)試驗(yàn)

在鋼管未泄漏部位管體及焊縫處取樣，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm， 按照ASTM A370—2017標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸、彎曲及－20℃夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2和表3，結(jié)果表明該鋼管未泄漏部位的力學(xué)性能滿足GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 拉伸試驗(yàn)及彎曲結(jié)果

表3 -20℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3 未泄漏部位管體和焊縫的金相組織

2.3 金相分析

在未泄漏部位管體和焊縫處分別取樣，依據(jù)GB/T 13298—2015和GB/T 13299—1991等標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行金相檢驗(yàn)，顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出，其管體組織為塊狀鐵素體+珠光體，焊縫及熔合區(qū)有粒狀貝氏體存在，管體晶粒度11級(jí)，帶狀組織2級(jí)，金相檢驗(yàn)結(jié)果未見異常。

為了進(jìn)一步分析該鋼管泄漏處裂紋形成原因，在垂直于裂紋方向截取T1和T2兩個(gè)試樣，鋼管泄漏處取樣位置如圖4所示，T1和T2試樣表面低倍形貌如圖5所示。

圖4 鋼管泄漏處取樣位置

圖5 （a）中左下角的凹坑對(duì)應(yīng)宏觀檢驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁凹坑，測(cè)得凹坑深度約1.2 mm。由圖5可見兩個(gè)截面靠?jī)?nèi)壁側(cè)均存在一半橢圓形紫黃色的顏色異常區(qū)域，最深處接近鋼管壁厚中心，其與鋼管正常基體界面處存在孔洞，裂紋起源于顏色異常區(qū)域，由內(nèi)向外壁擴(kuò)展。

T2試樣A、B兩處的金相照片如圖6所示。從圖6可以明顯看出，顏色異常區(qū)域與管體正常組織界面間隙明顯，且顏色異常區(qū)域內(nèi)存在孔洞，外側(cè)管體裂紋附近晶界明顯氧化，為過燒組織。圖6（b）為外側(cè)管體裂紋附近處金相組織照片，可見該處部分晶界開裂，晶界間存在紫色異物。

圖5 T1和T2試樣表面低倍形貌

圖6 T2試樣截面金相組織

2.4 掃描電鏡及能譜分析

采用INCA 350能譜儀對(duì)T1試樣進(jìn)行局部區(qū)域面掃描，結(jié)果如圖7所示，能譜分析 （EDS）結(jié)果見表4。由圖7和表4可見，外層區(qū)域主要為Fe、C、Mn等元素，而內(nèi)層顏色異常區(qū)域主要為Fe、Cu、Mn等元素，其中Cu元素異常偏高。

圖7 T1試樣SEM形貌及能譜分析

表4 T1試樣能譜分析 （EDS）結(jié)果

對(duì)圖6（b）中晶界間的紫色異物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其主要組成元素為Cu和Fe，質(zhì)量百分比分別為92.2%和7.8%，結(jié)果如圖8所示。

為了更好的了解Cu元素的分布情況，對(duì)T1和T2試樣進(jìn)行背散射電子成像分析，結(jié)果如圖9所示。背散射電子成像的襯度是由于原子序數(shù)的不同而引起，因此可以清晰地分辨出Cu元素分布區(qū)域，其所在區(qū)域與金相觀察中所發(fā)現(xiàn)的橫截面異常區(qū)域相吻合，呈半橢圓形，并且背散射電子成像中內(nèi)層異常區(qū)域的襯度較外層正常管體區(qū)域高，反映出該處Cu元素含量更高。

在鋼管泄漏處截取T3試樣 （見圖4中取樣位置），其開裂面的SEM形貌如圖10所示。由圖10可以看出，該斷面已明顯被高溫氧化。

對(duì)T3試樣內(nèi)、外層區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表5。由表5可以看出，斷裂面內(nèi)、外層區(qū)域均 發(fā)現(xiàn)Cu元素存在，即裂紋區(qū)有Cu元素富集。

圖8 晶界間異物能譜分析結(jié)果

圖9 背散射電子成像形貌

圖10 T3試樣斷裂面形貌

表5 T3開裂面能譜分析 （EDS）結(jié)果

3 結(jié)果分析

依據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該鋼管正常部位取樣檢驗(yàn)，鋼管的化學(xué)成分、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)和落錘撕裂試驗(yàn)等結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管管體的金相組織為多邊形鐵素體 （PF）+少量珠光體 （P），未見異常。

由宏觀檢查結(jié)果可知，泄漏處鋼管存在貫穿性裂紋，裂紋起源于鋼管內(nèi)壁沿管體縱向分布，內(nèi)壁開裂長(zhǎng)度大于外壁，泄漏處管體未發(fā)現(xiàn)明顯變形。由SEM及EDS檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，裂紋開裂面明顯氧化，且有Cu元素的附著；裂紋附近晶粒粗大，晶界處有Cu元素的富集，質(zhì)量百分比達(dá)到92.2%。

由金相檢驗(yàn)及能譜分析結(jié)果可知，泄漏處鋼管內(nèi)壁存在組織異常區(qū)域，不同于常規(guī)的管線鋼組織，其主要成分除Fe、Mn等組分外，還含有Cu元素。該區(qū)域呈半橢圓形，深度接近壁厚中心，其內(nèi)部存在孔洞和凹坑，與其相鄰的管線鋼組織晶粒粗大，晶界明顯氧化，表現(xiàn)為高溫灼傷特征。

上述結(jié)果表明，Cu的影響及高溫灼傷是鋼管泄露的主要原因，鋼中適量的Cu能夠增加其抗大氣腐蝕的能力[2]，但是由于Cu在熱加工中容易產(chǎn)生熱脆，因此管線鋼中一般要控制Cu的含量。從焊管的生產(chǎn)、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)施工過程來(lái)看，本次泄漏事故中管材的Cu應(yīng)來(lái)自于鋼管的焊接環(huán)節(jié)，吊裝過程中形成銅污染一般不會(huì)出現(xiàn)高溫灼傷現(xiàn)象。在焊接過程中，若銅線纜或電極與鋼管直接接觸，當(dāng)接觸不良時(shí)，它們之間的電阻急劇增大，產(chǎn)生電弧導(dǎo)致溫度升高，甚至燒傷電纜及管材，造成鋼管的銅污染[3]。因此，鋼管焊接電極一般采用鋼質(zhì)卡鉗與鋼管連接，應(yīng)避免銅與鋼管直接接觸。

從灼傷出現(xiàn)的位置來(lái)看，因在現(xiàn)場(chǎng)施工組對(duì)后，電極或線纜很難從內(nèi)壁與鋼管接觸，其應(yīng)產(chǎn)生于鋼管制管的焊接過程。在焊接過程中，銅線纜在內(nèi)壁與鋼管接觸，當(dāng)兩者接觸電阻過大時(shí)，在焊接大電流的作用下產(chǎn)生電弧，溫度急劇升高，鋼管內(nèi)壁基體及銅線纜熔化，熔融的銅及鋼管基體在管內(nèi)壁形成含銅量較高的多孔性異常組織，并且導(dǎo)致灼傷部分晶粒長(zhǎng)大及晶界氧化，降低晶界結(jié)合強(qiáng)度。高溫下，若鋼管同時(shí)承受拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于該溫度下鋼管的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼管管體開裂，而對(duì)于已經(jīng)氧化的晶界，由于其結(jié)合強(qiáng)度低，往往會(huì)成為裂紋擴(kuò)展的擇優(yōu)路徑[4]。相對(duì)于Fe來(lái)說(shuō)，Cu為低熔點(diǎn)金屬，純Cu的熔點(diǎn)僅為1 083℃，銅合金的熔點(diǎn)更低，溫度越高其流動(dòng)性越強(qiáng)，高溫下液體Cu沿管壁上的裂紋或開裂的晶界擴(kuò)散，形成該部位Cu 的富集[5]。

4 結(jié)論與建議

（1）泄漏管段未泄漏部位的化學(xué)成分、力學(xué)性能等指標(biāo)滿足要求。

（2）發(fā)生泄漏的主要原因是在埋弧焊管制管焊接過程中Cu電極或線纜與鋼管內(nèi)壁直接接觸，當(dāng)電極或線纜接觸不良時(shí)，在焊接大電流作用下形成高溫，導(dǎo)致鋼管內(nèi)壁的灼傷及Cu污染所致。

（3）在制管焊接及現(xiàn)場(chǎng)施工焊接中，鋼管應(yīng)避免Cu、Sn等低熔點(diǎn)金屬污染，且應(yīng)保證電極與鋼管間的良好接觸，避免高溫灼傷。