蔡 克，瞿婷婷，趙 冰，馬小芳

(1.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077；2.中國石油長慶油田分公司物資供應(yīng)處(物資管理部) 陜西 西安 710018)

0 引 言

石油化工生產(chǎn)過程中的油氣采用不同材質(zhì)和不同結(jié)構(gòu)形狀的管道進(jìn)行輸送。這些管道中的管件所服役的管道系統(tǒng)內(nèi)壓通常是在0.1 MPa以上，在使用中若存在嚴(yán)重的制造缺陷或極端苛刻的介質(zhì)沖刷腐蝕等因素，就可能引發(fā)著火，甚至產(chǎn)生爆炸事故，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[1]。因此，在輸送易燃品的壓力管道運(yùn)營過程中，必須對此引起高度重視，嚴(yán)格執(zhí)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，及時(shí)檢測和消除重大管道缺陷，有效預(yù)防管道失效事故的發(fā)生。

1 失效概況

2019年3月，某油田天然氣凈化廠使用的異徑三通發(fā)生了泄漏事故。該三通規(guī)格為DN100/DN65，材料為L245NS，其制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13401—2017《鋼質(zhì)對焊管件技術(shù)規(guī)范》。該三通在首次安裝試壓過程中就發(fā)生了泄漏，試驗(yàn)壓力最大為0.7 MPa，目標(biāo)壓力為6.8 MPa。發(fā)生泄漏后，現(xiàn)場工作人員對泄漏部位進(jìn)行了標(biāo)記，隨后進(jìn)行了拆卸更換，并將該泄漏三通樣品發(fā)送至檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行失效原因分析。

2 宏觀分析及滲透檢測

泄漏三通的外表面覆蓋著一層黑色的油漆，根據(jù)油漆面上殘留的黃褐色的水印，初步確定其打壓過程疑似泄漏點(diǎn)位于該三通的支管與主管的過渡區(qū)處，用電動(dòng)砂輪局部打磨，露出外壁金屬光澤，但外觀未發(fā)現(xiàn)缺陷。

為了進(jìn)一步確定泄漏點(diǎn)的位置，對該泄漏三通進(jìn)行表面滲透無損檢測，發(fā)現(xiàn)打磨過的三通支管與主管過渡區(qū)處有一條肉眼可見的閉合性裂紋，長度約為40 mm，該裂紋位置是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的水壓泄漏缺陷部位。

隨后將該泄漏三通沿平行于主管軸向進(jìn)行解剖，并清理干凈內(nèi)壁銹蝕物。三通內(nèi)表面存在明顯的機(jī)加工痕跡，支管與主管過渡部位可見明顯的機(jī)加工刀痕棱角界面，屬于非圓弧過渡，此處支管內(nèi)壁部位呈波浪狀凹凸突變的褐色均勻銹蝕形貌，其低倍形貌如圖1和圖2所示。

圖1 泄漏三通外壁滲透缺陷痕跡形貌

圖2 三通泄漏點(diǎn)處對應(yīng)的內(nèi)壁低倍形貌

3 理化性能檢驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分分析

在三通主管部位取樣，依據(jù)GB/T 4336—2016標(biāo)準(zhǔn)，用ARL 4460直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明除了Mn元素，其它元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13401—2017的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.2 布氏硬度試驗(yàn)

在主管部位取樣，用BH3000布氏硬度計(jì)，依據(jù)ASTM E10-18標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。硬度試驗(yàn)結(jié)果為HBW145，結(jié)果符合GB 13401—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.3 金相分析

從主管部位取金相分析試樣，依據(jù)GB/T 13298—1991、GB/T 10561—2005、GB/T4335—2015、GB/T6394—2002標(biāo)準(zhǔn)，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行金相分析，主管管體組織為粒狀貝氏體+鐵素體，晶粒度為9.5級，管體金相組織如圖3所示。

圖3 主管管體組織

沿垂直裂紋擴(kuò)展方向截取金相組織分析試樣。取含裂紋尖端的試樣，用砂紙拋光并在光鏡下進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋主要沿內(nèi)壁凹凸界面的凹痕底部擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向較為筆直，尖端是圓鈍形狀，裂紋內(nèi)充滿灰色物質(zhì)。經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后，基體組織呈鐵素體加珠光體組織形貌，裂紋邊緣兩側(cè)及裂紋尖端周圍為鐵素體組織，并存在有明顯的脫碳現(xiàn)象。試樣局部組織沿壁厚方向存在輕微形變形貌，仔細(xì)觀察近內(nèi)壁表面層組織，顯微鏡下可見多條近似平行于支管軸向的細(xì)小微裂紋，裂紋實(shí)測長度小于等于0.3 mm，裂紋內(nèi)鑲嵌有大量的灰色物質(zhì)。裂紋及其組織形貌如圖4～圖8所示。

圖4 裂紋低倍形貌及金相取樣部位圖

圖5 試樣橫截面裂紋形貌

圖6 裂紋及裂紋內(nèi)鑲嵌物形貌

圖7 裂紋周圍基體組織脫碳形貌

圖8 靠近內(nèi)表面層細(xì)小裂紋缺陷形貌

4 能譜分析

用XFORD INCA350能譜分析儀對裂紋內(nèi)鑲嵌物質(zhì)進(jìn)行分析，其能譜分析曲線如圖9所示。由圖9可見，其裂紋內(nèi)鑲嵌的灰色物質(zhì)富含F(xiàn)e和O元素，為鐵的氧化物。

圖9 裂紋內(nèi)非金屬物質(zhì)能譜分析曲線

5 綜合分析

對泄漏三通進(jìn)行化學(xué)成分分析、布氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：泄漏三通的布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果符合GB 13401—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，化學(xué)成分中Mn含量不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。金相分析結(jié)果表明主管管體組織為粒狀貝氏體+鐵素體+珠光體。

由滲透檢測及金相分析表明，三通發(fā)生泄漏是由于其支管與主管過渡處局部存在貫穿全壁厚的裂紋。低倍形貌觀察表明，該三通內(nèi)表面層組織在顯微鏡下存在明顯的沿主管徑向的變形特征，宏觀上未經(jīng)加工的支管與主管過渡部位內(nèi)壁局部金屬存在陡峭的波浪狀凹凸現(xiàn)象，結(jié)合三通成型工藝特點(diǎn)可判定，這是由于該三通成型工藝控制不當(dāng)，即在三通支管成型階段，三通毛坯在非正常匹配的內(nèi)壓和軸向應(yīng)力作用下產(chǎn)生非協(xié)調(diào)應(yīng)變而形成[2]。低倍分析表明，三通泄漏點(diǎn)裂紋起源于三通內(nèi)表面波浪狀突變處的凹陷部位，裂紋內(nèi)充滿大量的灰色物質(zhì)，且裂紋邊緣兩側(cè)處組織呈典型的脫碳形貌特征，與三通基體其余部位的組織存在明顯差異。綜上所述，泄漏部位的多條裂紋在三通成品進(jìn)行最終熱處理之前就已經(jīng)存在，即裂紋產(chǎn)生于三通成型階段[3]。當(dāng)三通中存在裂紋，其在后續(xù)正常熱處理過程中，由于加熱溫度通常在正火溫度以上，位于氧化氣氛下的含裂紋三通在爐內(nèi)長時(shí)間保溫過程中，其裂紋兩側(cè)表面較為粗糙，氧化層相對疏松處基體中的碳原子通過擴(kuò)散機(jī)制，就會(huì)與爐內(nèi)高溫氣氛中的氧原子持續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)，結(jié)合生成二氧化碳并釋放出，導(dǎo)致其局部組織脫碳，最終形成所觀察到的脫碳層現(xiàn)象。

X射線能譜分析表明，裂紋內(nèi)灰色物質(zhì)均為鐵的氧化物，結(jié)合裂紋周圍組織的脫碳特征，更進(jìn)一步說明其裂紋內(nèi)氧化物是三通在生產(chǎn)過程熱處理階段的高溫環(huán)境中產(chǎn)生的。

該失效三通采用冷擠壓成型方法制造生產(chǎn)，在冷成形過程中，三通的支管是通過附加在主管兩端和內(nèi)壁的高壓作用，使主管上的金屬在外模具的束縛下向支管模內(nèi)流動(dòng)而形成的。三通冷擠壓成型過程是對金屬材料進(jìn)行塑性形變加工的過程，在此過程中，材料會(huì)由于在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生劇烈形變，內(nèi)部位錯(cuò)發(fā)生增生、運(yùn)動(dòng)形成位錯(cuò)纏結(jié)和晶格畸變而導(dǎo)致冷作硬化現(xiàn)象，使材料硬度、內(nèi)應(yīng)力急劇升高，韌性下降[4]，這時(shí)即使在較小的外載條件下也會(huì)使其產(chǎn)生失穩(wěn)開裂。根據(jù)冷擠壓三通成型工藝特點(diǎn)可知，三通支管金屬全部來源于毛坯管金屬，其主管與支管過渡區(qū)域的金屬會(huì)產(chǎn)生較大的變形；三通成型過程中，反向流動(dòng)的金屬流線在此處相遇或產(chǎn)生交叉，該處材料組織連續(xù)性較原材料降低，同時(shí)，形變過程中材料因產(chǎn)生較大的塑性變形而發(fā)生形變硬化，致使此處材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，若三通成型后，不進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，其應(yīng)力不能得到有效釋放，產(chǎn)生失穩(wěn)開裂的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大幅度上升。

綜上所述，三通在成型過程中，在內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋，裂紋萌生擴(kuò)展，形成貫穿裂紋。在隨后的熱處理過程中，裂紋兩側(cè)邊緣的基體組織在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化脫碳。這種具有裂紋的三通若不能在檢測工序中被發(fā)現(xiàn)，含裂紋缺陷的三通被安裝到管道系統(tǒng)中，在管道系統(tǒng)試壓過程中，就會(huì)因含裂紋三通的有效承壓能力不足，在裂紋處發(fā)生早期泄漏事故。

6 結(jié)論與建議

1)三通泄漏失效是由于其主管與支管部位存在貫穿壁厚的裂紋，該裂紋產(chǎn)生于三通冷擠壓成型過程中。

2)冷擠壓三通主管與支管過渡區(qū)域是其結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，也是三通質(zhì)量控制的重要關(guān)鍵點(diǎn)之一，采用這種工藝生產(chǎn)的三通應(yīng)及時(shí)消除應(yīng)力，以防止發(fā)生脆性開裂。