直縫埋弧焊鋼管穿孔原因

張 樂, 叢 深, 韓 軍, 余 志, 王亞龍

(中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司, 西安 710077)

2019年，某地一段直縫埋弧焊鋼管在試壓作業(yè)時(shí)發(fā)生穿孔泄漏，給正常生產(chǎn)造成極大影響[1-2]。該直縫埋弧焊鋼管的規(guī)格(外徑×壁厚)為406.4 mm×10.3 mm，材料為L(zhǎng)415M鋼，在鋼管外防腐層經(jīng)打磨后，管體區(qū)域沒發(fā)現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕痕跡，且整個(gè)管段內(nèi)未見明顯塑性變形。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)分析等方法對(duì)穿孔鋼管進(jìn)行了研究。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

穿孔直縫埋弧焊鋼管的宏觀形貌如圖1所示。管體為直縫管，在管體中間部位有一處圓形孔洞，局部放大觀察，發(fā)現(xiàn)穿孔呈現(xiàn)“外粗內(nèi)細(xì)”的現(xiàn)象，可推測(cè)此處穿孔刺漏應(yīng)該是由外向內(nèi)造成的，并且管體內(nèi)壁和外壁均未出現(xiàn)壁厚減薄現(xiàn)象。

截取管體穿孔區(qū)域并制作試樣，測(cè)得穿孔孔洞外表面直徑約為7 mm，穿孔處內(nèi)表面呈現(xiàn)金屬堆積現(xiàn)象，存在凸起，且附近也未發(fā)現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕痕跡。管樣外壁穿孔形貌經(jīng)局部放大后，發(fā)現(xiàn)孔洞內(nèi)壁仍存在部分青藍(lán)色防腐噴漆的環(huán)氧粉末痕跡[見圖1e)]，說明該穿孔形成于防腐工序之前。

圖1 穿孔直縫埋弧焊鋼管的宏觀形貌

1.2 壁厚測(cè)量

采用測(cè)厚儀對(duì)穿孔周圍區(qū)域壁厚進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量間距為50 mm，測(cè)量點(diǎn)具體位置如圖2所示，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由測(cè)量結(jié)果可知，該鋼管壁厚分布均勻，符合GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

表1 穿孔鋼管壁厚測(cè)量結(jié)果 mm

圖2 穿孔鋼管壁厚測(cè)量位置示意

1.3 化學(xué)成分分析

在鋼管管體制取試樣，應(yīng)用ARL 4460型直讀光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。由檢測(cè)結(jié)果可知，該鋼管的化學(xué)成分符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 穿孔鋼管的化學(xué)成分 %

1.4 金相檢驗(yàn)

從鋼管管體及穿孔處附近取樣，對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其顯微組織形貌如圖3所示，焊縫處的檢測(cè)結(jié)果如表3所示。該鋼管管體組織為多邊形鐵素體(PF)與珠光體(P)，晶粒度為11.5級(jí)，帶狀組織為0.5級(jí)，非金屬夾雜物等級(jí)為A0.5，B0.5，D0.5級(jí)；焊接接頭的焊縫組織為針狀鐵素體(IAF)、粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，熔合區(qū)組織為粒狀貝氏體，細(xì)晶區(qū)組織為多邊形鐵素體和馬氏體-奧氏體小島(MA)。

圖3 鋼管的顯微組織形貌

表3 焊縫處的檢測(cè)結(jié)果 mm

在穿孔處附近沿穿孔邊界縱向取樣，發(fā)現(xiàn)其顯微組織均有明顯的熱影響區(qū)(見圖4)，表明該區(qū)域發(fā)生了局部高溫現(xiàn)象，使組織發(fā)生變化且變得不均勻，其中包括粗晶區(qū)與過渡區(qū)，觀察可發(fā)現(xiàn)，沿穿孔邊界區(qū)域與粗晶區(qū)有馬氏體組織。由顯微硬度測(cè)試結(jié)果可知：該處組織的硬度明顯高于周邊區(qū)域，可證實(shí)為馬氏體組織，馬氏體組織的出現(xiàn)進(jìn)一步證明了管體表面發(fā)生了局部高溫現(xiàn)象。未受熱區(qū)組織主要包括多邊形鐵素體與珠光體。

圖4 穿孔處附近微觀形貌

1.5 力學(xué)性能及硬度測(cè)試

從該鋼管管體及焊接接頭處取樣，分別進(jìn)行拉伸、夏比沖擊、導(dǎo)向彎曲及維氏硬度試驗(yàn)，維氏硬度試驗(yàn)壓痕位置如圖5所示，拉伸、夏比沖擊、導(dǎo)向彎曲及維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果分別如表4～7所示。結(jié)果表明，該鋼管力學(xué)性能及硬度均符合GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 維氏硬度試驗(yàn)壓痕位置示意

表4 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 0 ℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表6 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV

1.6 掃描電鏡分析

在鋼管穿孔處取樣，經(jīng)醋酸纖維+丙酮試劑清洗后，采用掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對(duì)試樣外表面進(jìn)行微觀形貌觀察及能譜分析。鋼管穿孔處的SEM形貌如圖6所示，可見穿孔外表面平整，無明顯塑性變形特征，局部放大可見有輕微的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，能譜分析結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明：穿孔處表面主要為Fe，O元素，以及Si，K和Ca元素，此外還存在少量Mn元素。

圖6 鋼管穿孔處的SEM形貌

圖7 穿孔處能譜分析結(jié)果

2 綜合分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。幾何尺寸測(cè)量結(jié)果表明：該鋼管的壁厚分布均勻，說明試樣無明顯點(diǎn)蝕痕跡，且整個(gè)管段內(nèi)未見明顯塑性變形。由于該鋼管是在投入使用前的試壓階段發(fā)生穿孔失效的，因此可排除管體內(nèi)表面受腐蝕介質(zhì)等因素產(chǎn)生的腐蝕穿孔[3-5]。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼管組織為多邊形鐵素體+珠光體，晶粒度為11.5級(jí)，非金屬夾雜物等級(jí)為A0.5，B0.5，D0.5級(jí)。穿孔處附近組織包括粗晶區(qū)與過渡區(qū)，其中粗晶區(qū)組織粗大且不均勻，沿穿孔邊界區(qū)域發(fā)現(xiàn)有大片板條狀馬氏體組織，馬氏體組織是由管體表面受到高溫，當(dāng)溫度上升到淬火溫度后冷卻形成的。穿孔邊界不同位置均發(fā)現(xiàn)有明顯的組織受熱區(qū)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)馬氏體組織分布在整個(gè)壁厚方向，說明高溫覆蓋了管體的整個(gè)壁厚方向。管體穿孔完全貫穿且垂直于壁厚方向，穿孔呈現(xiàn)“外粗內(nèi)細(xì)”的形貌，穿孔處內(nèi)表面存在明顯的金屬融化堆積現(xiàn)象，由此可推斷該失效鋼管外表面受到高溫電焊氣割燒傷。

3 結(jié)論與建議

(1) 該直縫埋弧焊鋼管的尺寸、化學(xué)成分、力學(xué)性能等均符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2) 該直縫埋弧焊鋼管穿孔處組織明顯受過高溫，并產(chǎn)生熱影響區(qū)及馬氏體組織，穿孔的原因是管體外表面發(fā)生高溫?zé)齻?/p>

(3) 建議在焊接作業(yè)時(shí)，保護(hù)好作業(yè)區(qū)域外的鋼管表面，避免產(chǎn)生燒傷；建議對(duì)該條管線進(jìn)行檢測(cè)，以排查是否存在類似風(fēng)險(xiǎn)。