某成品油管道環焊縫泄漏失效原因分析

劉奎榮，任國琪，王高峰，張 皓

（1.中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司，四川 成都 610041；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西 西安 710077）

油氣管道運輸是油氣輸送的重要方式之一，對于管道來說，環焊縫是管道的薄弱環節，由于氣候條件不同、管口組對的偏差以及受焊工技術水平等因素的影響，會造成管道環焊縫的質量偏差，若環焊縫存在焊接缺陷，或焊接成型不良，就容易導致管道在環焊縫處失效，造成人員、財產損失。

在對國內某成品油管道管線內檢測開挖驗證過程中，發現彎管與直管段連接焊縫處存在輕微滲油，對該泄漏環焊縫進行切割更換，并分析環焊縫泄漏原因。檢測分析項目包括管段宏觀檢測、無損檢測、理化性能檢測、金相分析、斷口分析。

1 管材宏觀檢測

1.1 送樣管段概況

滲油管道是L415螺旋縫埋弧焊鋼管，規格Φ508 mm×7.9 mm，防腐層采用三層PE防腐，彎管規格Φ508 mm×9.5 mm，彎管彎曲半徑為6×508 mm，彎管角度24°，設計壓力10 MPa，管線運行了17年。泄漏環焊縫距離直管段端口約1 m，環焊縫補口防腐層已去除，其他位置防腐層存在破損。管段樣品如圖1所示。

圖1 送樣管段

1.2 鋼管宏觀檢測

去除鋼管外防腐層，將浮銹打磨后，測量環焊縫余高、錯邊、焊縫寬度值可知，焊縫外表面基本整齊均勻。觀察焊縫內表面，管體內表面及環焊縫位置基本呈均勻腐蝕形貌，發現在內表面12點鐘部位存在較大的焊瘤，如圖2所示，焊瘤環向長度90 mm，最高高度8.2 mm，比管壁自身厚度還大，說明內表面成形質量差。

圖2 環焊縫12點方位內部焊瘤

2 環焊縫無損檢測

依據SY/T 4109—2017《石油天然氣鋼質管道無損檢測》對泄漏環焊縫進行磁粉檢測、X射線檢測。磁粉檢測發現，泄漏環焊縫外表面泄漏裂紋長度為52 mm，裂紋正好位于環焊縫內表面焊瘤處，檢測結果如圖3所示。射線檢測發現，泄漏環焊縫12點位置發現一處超標缺陷，顯示為裂紋缺陷，裂紋長度82 mm，評定等級為Ⅳ級，檢測結果如圖4所示。

圖3 泄漏環焊縫磁粉檢測結果

圖4 泄漏環焊縫射線檢測結果

3 環焊縫性能試驗

為了分析環焊縫性能，依據GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》，在遠離失效部位和失效部位附近取樣進行拉伸、夏比沖擊性能試驗，并取試樣分析環焊縫金相組織情況。

3.1 環焊縫拉伸性能試驗

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用UH-F500KNI材料試驗機對環焊縫0～3點、3～6點、6～9點、9～0點以及裂紋附近環焊縫進行拉伸性能試驗，拉伸試樣為矩形試樣，試驗發現斷裂位置均在母材上，具體數據結果見表1。標準要求如試樣斷在母材上，且抗拉強度大于或等于管材規定的最小抗拉強度時，則該試樣合格；標準要求母材最小抗拉強度為520 MPa。對照標準可知，環焊縫各位置拉伸性能滿足標準要求。

表1 環焊縫位置試樣的抗拉強度R m試驗結果 MPa

3.2 環焊縫夏比沖擊性能試驗

依據GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用ZBC2752-B型沖擊試驗機對環焊縫0～3點、3～6點焊縫中心、熱影響區進行夏比沖擊試驗，試驗溫度選取與管體夏比沖擊試驗的相同，取0℃，試驗結果見表2。標準要求每個缺口位置的夏比沖擊功最小值和平均值相應地要大于30 J和40 J，對比標準可知，環焊縫夏比沖擊功值符合要求。

表2 環焊縫夏比沖擊性能試驗結果

3.3 金相分析

依據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，采用OLS4100激光共聚焦顯微鏡對環焊縫3點、6點以及裂紋附近（12點附近）環焊縫進行金相組織分析，由分析結果可知，3點、6點以及裂紋附近蓋面焊組織均為粒狀貝氏體，打底焊組織均為珠光體+鐵素體+晶內成核鐵素體，填充焊組織均為珠光體+鐵素體+粒狀貝氏體，裂紋附近環焊縫晶粒度與3點、6點位置的基本相同。

在失效裂紋附近環焊縫試樣中發現多處微裂紋，微裂紋周邊存在脫碳現象。失效裂紋附近微裂紋如圖5所示。由失效裂紋尖端金相組織可見，失效裂紋尖端及附近金相組織無異常，裂紋斷裂形式為沿晶斷裂。失效裂紋尖端附近形貌如圖6所示。

圖5 失效裂紋附近微裂紋

圖6 失效裂紋尖端附近形貌

4 斷口分析

4.1 斷口宏觀形貌分析

泄漏部位位于環焊縫焊瘤位置，對泄漏位置斷口進行取樣，斷口宏觀形貌如圖7所示，泄漏斷口及附近可見清晰焊接弧紋，弧紋交匯位置正位于裂紋中心，為焊接施工起弧、收弧位置，該位置存在較大焊瘤，可能為焊接熱輸入過大或焊接停留時間過長導致。

圖7 泄漏位置斷口宏觀形貌

4.2 斷口掃描電鏡分析

對斷口附近裂紋橫截面及斷口進行掃描電鏡分析（圖8～9），可見裂紋起源于環焊縫內表面焊趾根部，沿焊趾根部向焊縫中心擴展，由于泄漏時間較長，斷口表面腐蝕嚴重，斷口表面已被致密黑色物質覆蓋，無法看出是脆性斷裂還是韌性斷裂特征。

圖8 斷口附近裂紋宏觀形貌

圖9 裂紋起源位置形貌

4.3 斷口能譜分析

分別對斷口表面夾雜物、無夾雜斷口表面以及未打開斷口的裂紋剖面內部進行能譜分析，發現斷口表面主要成分為C、Fe、O，為斷口長時間受成品油浸泡所致，斷口無焊接藥皮夾雜成分。斷口形貌如圖10～11所示，能譜分析結果見表3。

表3 斷口表面和裂紋內部能譜分析結果%

圖10 斷口表面夾雜形貌

4.4 分析討論

裂紋位置位于環焊縫12點鐘焊接起弧、收弧位置，該位置環焊縫內表面成型差，內表面存在較大焊瘤，裂紋與焊瘤位置高度重合。金相觀察中還發現失效裂紋附近存在多處微裂紋，微裂紋周邊存在脫碳現象。由微裂紋形貌和裂紋周圍金相組織可知，這些微裂紋為焊接熱裂紋。

圖11 裂紋內部形貌

焊接熱裂紋是焊接過程中在高溫階段產生的開裂現象，多在固相線附近發生，其特征是沿奧氏體晶界開裂［1］。在焊接過程中，材料的晶間延展性較弱，無法承擔當時材料所發生的應變。在這種情況，往往是固液共存的狀態下，熱裂紋才會產生，當溫度冷卻后，裂紋就會沿著結晶的交界處產生并發展。產生焊接熱裂紋的因素主要有有害雜質的影響（主要為S和P）；焊接工藝的影響，例如熔合比、焊接速度、焊接線能量、冷卻速度等［2-14］。同時，熱裂紋附近出現脫碳也表明該位置環焊縫焊接時焊接溫度過高，或焊接時在該位置停留時間過長。

5 結 語

在環焊縫焊接過程中，起弧、收弧位置停留時間過長導致該位置環焊縫焊接溫度過高，焊縫熔化下墜形成焊瘤，該位置熔池過熱，降低了焊縫金屬的抗裂性，導致該位置產生熱裂紋，并伴隨脫碳，使得環焊縫局部力學性能下降。泄漏處原始裂紋應為焊接時在環焊縫內表面焊趾根部產生的熱裂紋，且該處存在的較大焊瘤導致該位置產生應力集中。管線已運行17年，在長期內外載荷共同作用下，使得裂紋在該應力集中位置擴展，最終導致泄漏失效。