李麗鋒，張 哲，常大偉，朱麗霞，武 剛，張庶鑫

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東 青島 257061； 3.中國(guó)石油新疆油田公司 新疆 克拉瑪依 834000；4.中國(guó)石油西氣東輸管道公司 上海 200000)

0 引 言

彎管是油氣管道的重要組成部分，通常用于改變線路方向或改善線路局部鋼管的受力狀態(tài)[1]，在油氣管道工程中普遍采用。相比直管，彎管往往承受更復(fù)雜的應(yīng)力和苛刻的工況，其失效風(fēng)險(xiǎn)因而隨之增加，是管道中的相對(duì)薄弱點(diǎn)[2-3]。失效案例統(tǒng)計(jì)表明[3-5]，油氣輸送用彎管主要失效原因包括熱煨工藝不當(dāng)、原材料缺陷及服役環(huán)境等三大類，其中熱煨工藝不當(dāng)主要引起管體組織異常(如存在馬氏體組織)和銅污染，原材料缺陷主要指彎管存在大型夾雜和母管焊接缺陷，服役環(huán)境主要指表面腐蝕、沖蝕和其他附加載荷等。彎管失效可造成油氣泄漏和輸送中斷，甚至?xí)?dǎo)致燃燒和爆炸事故，威脅公眾生命、財(cái)產(chǎn)與環(huán)境安全。因此，彎管的失效原因與控制也應(yīng)引起特別關(guān)注。

2018年5月，某油田采氣廠發(fā)生彎管開裂失效，造成天然氣泄漏和輸送中斷，嚴(yán)重影響管道安全生產(chǎn)運(yùn)行。該管道輸送介質(zhì)為天然氣，泄漏前已服役2年，正常工作壓力位于5.3 MPa和5.6 MPa之間，溫度位于10℃與15℃之間，失效彎管母管為無(wú)縫鋼管，材料牌號(hào)為16Mn，規(guī)格為Φ114.3 mm×5 mm，母管交貨狀態(tài)為正火態(tài)，熱煨制溫度為900～1 000 ℃，局部加熱生產(chǎn)方式，冷卻方式為水冷，淬火態(tài)交貨，且出廠前磁粉、超聲探傷均合格。為防止類似彎管失效再次發(fā)生，本文依據(jù)SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應(yīng)加熱彎管》[6]、GB 6479—2000《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》[7]和相關(guān)失效理論，通過(guò)開展理化性能測(cè)試、斷口宏觀和微觀分析等試驗(yàn)，分析了彎管開裂失效原因，并對(duì)失效彎管材料進(jìn)行了回火和正火熱處理后的性能研究，為現(xiàn)場(chǎng)安全管理提供了決策依據(jù)。

1 宏觀分析與無(wú)損檢測(cè)

開裂彎管宏觀形貌如圖1所示，裂紋沿管體環(huán)向開裂擴(kuò)展，其開裂長(zhǎng)度約300 mm，開裂部位位于彎管的彎曲段，裂紋止于內(nèi)弧側(cè)，裂紋兩側(cè)邊緣處管體金屬未見明顯的塑性變形和腐蝕損傷現(xiàn)象存在。采用MX-5型超聲測(cè)厚儀對(duì)失效彎管壁厚測(cè)量結(jié)果表明，裂紋處壁厚測(cè)量值與相對(duì)應(yīng)其他位置未見異常。彎管外表面100%磁粉和超聲波探傷檢測(cè)結(jié)果表明，除管體泄漏點(diǎn)部位存在裂紋外未見有其他表面裂紋，也未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠。

圖1 開裂彎管宏觀形貌

2 斷口形貌分析

失效彎管宏觀斷口形貌如圖2所示，斷口表面存在黃色浮銹，靠近其內(nèi)外表面處未見明顯的腐蝕、壁厚減薄和局部塑性變形現(xiàn)象，斷口相對(duì)平坦，呈脆性斷裂特征。按照?qǐng)D2所示進(jìn)行線切割，采用丙酮和醋酸纖維將斷口清洗后，在TESCAN-VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡下對(duì)1#～6#斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果表明：1)1#、3#、4#、5#和6#斷口低倍下均可見人字紋形貌，如圖3所示，并指向2#斷口方向，且存在不同程度的剪切唇，剪切唇斷口呈現(xiàn)韌窩形貌，可判斷1#、3#、4#、5#和6#斷口晚于2#斷口平坦區(qū)開裂；2)斷口平坦區(qū)存在低倍下人字紋形貌并指向源區(qū)，如圖4(a)所示，源區(qū)呈現(xiàn)放射狀形貌，如圖4(b)所示，并收斂于外壁，源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)斷口主要呈解理形貌，局部呈沿晶斷裂和二次裂紋形貌，如圖4(c)所示；3)從斷口形貌來(lái)看，彎管開裂為脆性斷裂，斷裂起源于外弧側(cè)與中性區(qū)之間的外表面，并向內(nèi)表面擴(kuò)展。

圖2 開裂彎管斷口宏觀形貌

圖3 5#斷口低倍形貌

圖4 2#斷口源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

3 金相分析

采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，分析了失效彎管不同部位和斷口源區(qū)金相組織，如圖5所示。

圖5 開裂彎管金相組織

結(jié)果表明：直管段組織為珠光體和鐵素體，見圖5(a)所示，屬管線鋼的常見組織，而彎曲段外弧、內(nèi)弧、中性區(qū)主要以馬氏體組織為主，見圖5(b)所示。過(guò)渡區(qū)(開裂端)可明顯觀察到直管段向彎曲段組織的變化，見圖5(c)所示。源區(qū)斷口組織為馬氏體組織，未見組織變形，見圖5(d)所示。上述彎管不同部位的金相組織特征說(shuō)明彎管彎曲段的馬氏體組織是彎管熱煨時(shí)產(chǎn)生的。

4 理化性能測(cè)試

4.1 化學(xué)成分分析

采用ARL4460直讀光譜儀對(duì)在開裂位置附近取樣進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可知，失效彎管的化學(xué)成分符合GB 6479—2000對(duì)16 Mn鋼的要求。

表1 16Mn鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

4.2 拉伸性能測(cè)試

由于管徑較小，加工受限，僅對(duì)彎管過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010，試驗(yàn)設(shè)備為UH-F 5305型拉伸試驗(yàn)機(jī)。拉伸試樣取全壁厚板狀縱向試樣，試樣尺寸為300 mm×25 mm，標(biāo)距內(nèi)長(zhǎng)度為50 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明,屈服強(qiáng)度Rt0.5為460 MPa，大于標(biāo)準(zhǔn)最小要求值320 MPa；抗拉強(qiáng)度為653 MPa，接近標(biāo)準(zhǔn)要求的抗拉強(qiáng)度接近上限制670 MPa；斷口伸長(zhǎng)率為20%，小于標(biāo)準(zhǔn)要求值21%，不符合GB 6479—2000中16Mn鋼的拉伸性能要求。

4.3 夏比沖擊試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007，采用PIT752D-2型沖擊試驗(yàn)機(jī)，對(duì)失效彎管進(jìn)行了夏比沖擊吸收能量測(cè)試。試驗(yàn)溫度為0 ℃，取縱向試樣，V型缺口方向垂直于鋼管表面，尺寸為5 mm×10 mm×55 mm。轉(zhuǎn)化為全尺寸(10 mm×10 mm×55 mm)沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可知：直管段沖擊吸收能量可符合GB 6479—2000的要求；過(guò)渡區(qū)(未開裂端)、彎曲段外弧側(cè)、內(nèi)弧側(cè)和中性區(qū)、開裂位置的沖擊吸收能量均不滿足SY/T 5257—2012的要求，彎曲段沖擊吸收能量明顯低于直管段的沖擊吸收能量。

4.4 硬度測(cè)試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—1999，采用KB 30BVZ-FA型硬度測(cè)試儀，對(duì)失效彎管不同部位和斷口源區(qū)進(jìn)行了維氏硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，彎曲段、斷口源區(qū)硬度值顯著高于直管段和過(guò)渡段的硬度值，超出了SY/T 5257—2012中對(duì)B級(jí)彎管硬度值不超過(guò)300 HV10的要求。

表2 全尺寸試樣的沖擊吸收能量

圖6 開裂彎管硬度測(cè)試結(jié)果

5 分析與討論

管道失效往往與管材質(zhì)量、施工質(zhì)量、介質(zhì)腐蝕以及外力干擾有關(guān)。該彎管外表面未見明顯的腐蝕痕跡，內(nèi)部雖然輸送的是未經(jīng)集氣站生產(chǎn)分離器分離水后的天然氣，但開裂部位也未見明顯的內(nèi)腐蝕，同時(shí)壁厚檢測(cè)結(jié)果也未見明顯的厚度減薄現(xiàn)象，彎管運(yùn)行壓力和運(yùn)行溫度屬正常運(yùn)行范圍，彎管開裂部位無(wú)明顯的外力破壞跡象。因此，可判斷該彎管開裂失效與管材質(zhì)量密切相關(guān)。

理化性能測(cè)試結(jié)果表明，該彎管直管段的化學(xué)成分、全截面硬度和沖擊性能均符合GB 6479—2000對(duì)16Mn鋼的性能要求，金相組織為珠光體和鐵素體，屬正火態(tài)的常見組織。而彎管從過(guò)渡區(qū)開始出現(xiàn)少量馬氏體到彎曲管內(nèi)弧、外弧和中性區(qū)均以馬氏體組織為主，說(shuō)明彎管制造過(guò)程中產(chǎn)生的馬氏體組織，其性能測(cè)試結(jié)果不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。馬氏體組織具有高強(qiáng)度、高硬度的特性，但沖擊韌性很差，失效彎管的理化性能測(cè)試結(jié)果也給以印證。

彎管開裂需材料性能、缺陷和載荷3個(gè)因素共同作用。如果彎管表面存在起裂源，在服役載荷作用下一旦起裂，脆性的馬氏體組織會(huì)很快擴(kuò)展并呈現(xiàn)脆性開裂。斷口分析結(jié)果表明，該彎管開裂起源于外表面，從外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展，呈脆性斷口特征。另外彎管開裂部位正好安裝于立管與彎管水平連接的部位，同時(shí)彎管管體裂紋位于外弧側(cè)與中性區(qū)中間，該部位屬于彎管軸向應(yīng)力較高的位置，可為起裂提供載荷條件。但總的來(lái)說(shuō)，彎管開裂主要由于彎曲段存在硬而脆的馬氏體組織，使彎管的抗脆性斷裂能力嚴(yán)重下降所致。

失效彎管交貨態(tài)為淬火態(tài)，彎管熱煨制采用噴水急速冷卻方式成型，這種工藝致使熱煨區(qū)材料從AC3點(diǎn)以上，以較大的過(guò)冷度急速冷卻到Ms點(diǎn)以下，對(duì)于正火材料形成大量的硬而脆的馬氏體組織，這正是泄漏彎管的彎曲段存在馬氏體組織的原因所在。為此，本文對(duì)失效彎管彎曲段材料進(jìn)行了550 ℃、650 ℃的回火和900℃的正火熱處理(保溫1 h后空冷)，金相組織由淬火態(tài)馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w+少量貝氏體、回火索氏體、珠光體+鐵素體，見圖7所示，硬度明顯下降，見圖8所示，沖擊吸收能量大幅提高，見圖9所示，性能明顯得到改善，可滿足彎管標(biāo)準(zhǔn)性能要求。因此，對(duì)于選用正火鋼材用水冷卻煨制的感應(yīng)加熱彎管，應(yīng)在水冷后進(jìn)行正火或回火熱處理[1]。為確保失效彎管所在管道安全運(yùn)行，應(yīng)對(duì)同批次彎管及時(shí)定位、排查并消除隱患，建議采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)確定是否存在裂紋型缺陷，對(duì)存在裂紋的彎管及時(shí)更換，而對(duì)無(wú)裂紋的彎管，建議在安全條件具備的條件下，可利用在線熱處理進(jìn)行搶修[1]，以防止彎管開裂失效再次發(fā)生。

圖7 熱處理后金相組織

圖8 重新熱處理后硬度測(cè)量結(jié)果

圖9 熱處理前后沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論與建議

1)彎管熱煨工藝不當(dāng)，彎曲段形成硬而脆的馬氏體金相組織是彎管發(fā)生脆性開裂的主要原因。

2)建議對(duì)選用熱煨制水冷卻方式成型的正火鋼感應(yīng)加熱彎管進(jìn)行正火或回火熱處理，且加強(qiáng)彎管質(zhì)量檢驗(yàn)，確保彎管各項(xiàng)性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書要求。

3)建議對(duì)同批次彎管及時(shí)定位、排查并消除隱患，對(duì)檢測(cè)出含裂紋缺陷的彎管及時(shí)換管，對(duì)無(wú)裂紋缺陷的彎管可在安全條件具備的條件下，利用在線熱處理進(jìn)行搶修。