Q345鋼輸油管道開裂原因分析

朱開陽

(國電都勻發電有限公司， 福泉 550501)

Q345鋼作為一種中強度、高韌性的熱軋結構鋼廣泛應用于建筑、橋梁、管道等領域，優良的焊接性是Q345鋼被廣泛應用的原因之一[1-2]。某電廠公用系統輸油管道在運行過程中發生泄漏，管道規格為φ133 mm×5 mm，材料為Q345鋼，泄漏位置在彎頭焊縫和直管連接焊縫處，為了減少漏油對運行設備的影響，電廠在泄漏部位表面進行了簡單的堆焊處理。出于對整體設備的安全性考慮，電廠在停機檢修時將該彎頭進行了更換。為了查明管道泄漏原因，杜絕類似事故再次發生，筆者對開裂管道進行了失析分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

由于在管道泄漏后，電廠采取了直接補焊處理的臨時措施，所以彎頭外表面焊縫部位未見明顯異常，但彎頭內壁裂紋依然清晰可見。對管道進行滲透檢測，裂紋形貌如圖1所示?？梢娏鸭y分布于彎頭側熔合線處，長約100 mm，基本平行于焊縫。焊縫存在錯邊和根部未熔合現象。

圖1 管道內壁裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the crack at inner wall

1.2 化學成分分析

采用FOUNDRY-MASTER型牛津全譜立式直讀光譜儀，在直管段和彎頭處分別取樣進行化學成分分析，結果見表1。可見管道直管段的化學成分滿足GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》對Q345鋼的成分要求，而管道彎頭處的化學成分則與GB/T 1591—2018中Q345鋼的成分不符。

表1 開裂管道的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the cracked pipe (mass fraction) %

1.3 硬度測試

在開裂管道遠離焊縫位置的直管段和彎頭處分別取樣，試樣表面采用砂紙打磨，然后用HBE-3000A型布氏硬度計進行硬度測試，測試5點，測得開裂管道遠離焊縫位置的直管段和彎頭處的布氏硬度平均值分別為160 HB和235 HB，可見兩者硬度差別較大。

1.4 金相檢驗

在開裂管道的直管段、彎頭處、兩者的連接焊縫處以及裂紋處分別取樣，在縱截面上進行金相檢驗。試樣經磨拋后，用4%(體積分數)的硝酸酒精溶液浸蝕，在蔡司金相顯微鏡下觀察，如圖2所示?？梢娭惫芏魏蛷濐^處母材的顯微組織不同，直管段為鐵素體+珠光體，如圖2 a)所示；彎頭處為馬氏體并呈明顯帶狀分布，如圖2 c)～d)所示；焊縫存在魏氏組織，其熔合區形貌如圖2 b)所示；裂紋處未見明顯夾雜且裂紋兩側顯微組織與彎頭母材顯微組織一致，如圖2 e)～ f)所示。

圖2 開裂管道各處顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the cracked pipe:a) straight pipe section; b) fusion zone; c) low magnification morphology of elbow; d) high magnification morphology of elbow; e) uncorroded zone at crack root; f) corroded zone at crack root

2 分析與討論

化學成分分析結果表明開裂管道的彎頭和直管段母材不同，直管段材料與設計材料一致。彎頭的金相檢驗結果表明其存在明顯的帶狀組織，帶狀組織應在連鑄過程中形成，由于組織遺傳性的存在，后續的熱處理工藝仍然沒有消除這種形態。由于鋼液澆鑄溫度偏高，并且錳/硅比例系數較大，造成了硅錳枝晶偏析，從而出現帶狀組織[3-6]。直管段的錳與硅質量分數比為1.84，彎頭的錳與硅質量分數比為7.35，成分配比決定了彎頭處容易生成帶狀組織，而該組織的存在對后續彎制過程有較大的影響，表現為容易形成表面裂紋[7]。

實際焊接采用Q345鋼的同種鋼焊接工藝執行，而彎頭和直管的焊接已經屬于異種鋼焊接范疇，實施的焊接工藝不適用于彎頭和直管焊接，熔合區魏氏組織的存在也說明了焊接工藝不當。按國際焊接學會推薦的碳當量計算公式計算得出直管段的碳當量為0.28，滿足GB/T 1591—2018的技術要求，屬于易焊接材料。彎頭段的碳當量高達0.78，屬于難焊接材料。在一般焊接過程中，當碳當量低于0.4時，不需要進行預熱處理，碳當量達到0.6后，焊縫熱影響區產生冷裂紋的傾向明顯增強。裂紋距焊縫中心線為6 mm，對于壁厚為5 mm的管材，手工電弧焊的熱影響區寬度一般為6～8 mm，說明裂紋正好處于熱影響區內，很可能是焊接產生的冷裂紋。

綜上所述，裂紋產生有以下3個方面原因：焊接前未正確識別材料是否與設計材料一致。焊接操作時誤將兩個部件當同種鋼焊接，使得制訂的焊接工藝不適用于本次焊接，因此焊縫質量存在問題，錯邊和根部未熔合現象加大了焊接應力、減弱了焊縫強度。彎頭質量存在問題，帶狀組織對彎制不利，容易萌生表面裂紋。

3 結論及建議

由于彎頭的選材不當，后續對直管段和彎頭進行焊接前未能正確識別材料，造成制訂的焊接工藝不恰當。不恰當的焊接工藝使得焊接熱影響區產生了冷裂紋，最終導致該Q345鋼輸油管道開裂。

建議對同批次入廠的彎頭進行跟蹤檢查，確認其實際材料，對實際材料與設計材料不符合的彎頭進行更換；焊接完成后的焊縫要根據要求進行全面的無損檢測，確保焊接質量。