Cu污染造成的感應(yīng)加熱彎管裂紋分析

張亞鋒楊社民王耀光,3王增輝時(shí)　斌李　黎

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100010；2.中國石油東南亞管道有限公司，北京100028；3.中國石油集團(tuán)公司石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

駐廠監(jiān)造人員在某防腐廠進(jìn)行某海底管線項(xiàng)目監(jiān)造時(shí)，發(fā)現(xiàn)X70級φ762 mm×31.8 mm彎管噴砂后外弧側(cè)有裂紋，開裂面積約20 mm×20 mm。隨后業(yè)主和工廠將此彎管送檢國內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行失效分析。

1　彎管裂紋原因分析

1.1　彎管生產(chǎn)情況

彎管編號4#，所用母管為X70級φ762 mm×31.8 mm直縫埋弧焊管。生產(chǎn)前對母管進(jìn)行外觀和理化性能檢驗(yàn)[1]，合格后吊裝到彎管生產(chǎn)設(shè)備上，通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為5D（D為管徑）的懸臂引導(dǎo)，母管尾部以0.3～0.6 mm/s的速度勻速推進(jìn)。母管先通過感應(yīng)加熱線圈加熱后，再進(jìn)行彎曲加工，加熱功率為1 000 kW，溫度控制在（1 000±15）℃。 母管彎曲后用 0.02～0.04 MPa壓力的鹽水迅速冷卻，煨制合格的彎管在加熱爐中進(jìn)行熱處理。熱處理溫度為（500±20）℃，升溫速度200℃/h，保溫時(shí)間90 min。待應(yīng)力釋放后再進(jìn)行無損檢驗(yàn)及尺寸檢驗(yàn)。

1.2　宏觀分析

裂紋區(qū)域位于彎管外弧側(cè)弧頂區(qū)，如圖1所示。10#為裂紋取樣位置，開裂區(qū)域的宏觀形貌如圖2所示，裂紋區(qū)域軸向長度為19 mm，周向長度為25 mm，裂紋開口垂直于軸向，沿周向斷續(xù)開裂。裂紋最大深度為9.2 mm，如圖3所示。

圖1　裂紋位置及取樣位置示意圖

圖2　開裂區(qū)域宏觀形貌

圖3　裂紋截面宏觀形貌

1.3　化學(xué)成分分析

在裂紋區(qū)域附近取母材試樣，采用Baird Spectrovac2000直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，化學(xué)成分符合《Specification For Longitudinal Seam Submerged Arc Welded Line Pipe（NHDW-SPC-SPG-ST-0002）》要求。

1.4　微觀組織分析

對所取試樣進(jìn)行微觀組織[2]和裂紋形貌分析，組織[3]和晶粒度檢測結(jié)果見表2。

不同試樣的組織形貌如圖4所示。由圖可見，彎管彎曲區(qū)域外弧側(cè)、中部和內(nèi)弧側(cè)晶粒度分別為7.5級，9.0級和10.0級。在外表面附近大多是以粒狀貝氏體為主，其余為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體。

表1　X70級φ762 mm×31.8 mm感應(yīng)加熱彎管化學(xué)成分分析結(jié)果　%

表2　組織、晶粒度檢測分析結(jié)果

1.5　金相分析

10#試樣表面裂紋截面宏觀形貌如圖5所示。由圖可見，截面上分布著左、中、右3條裂紋，且均由外表面處起裂向內(nèi)擴(kuò)展。其中左側(cè)裂紋和右側(cè)裂紋最明顯，稱為主裂紋，裂紋中部間斷并出現(xiàn)較長的二次裂紋。中間裂紋較細(xì)，在25倍放大鏡下宏觀觀察清楚可見。

裂紋位于試樣外表面，裂紋內(nèi)及裂紋尖端處均發(fā)現(xiàn)黃色金屬物質(zhì)存在，如圖6和圖7所示，裂紋主要呈沿晶擴(kuò)展特征。同時(shí)，在試樣裂紋附近也發(fā)現(xiàn)有黃色金屬物質(zhì)存在，該物質(zhì)的擴(kuò)展路徑呈沿晶特征。

1.6　掃描電鏡與能譜分析

裂紋處的能譜分析結(jié)果見表3，SEM掃描電鏡形貌和EDS能譜如圖8所示，由表3和圖8可以明顯看出，裂紋處金屬物質(zhì)是Cu。

圖4　不同試樣的組織形貌

圖5　10#試樣表面裂紋截面宏觀形貌

圖6　左側(cè)裂紋內(nèi)金屬物質(zhì)

圖7　左側(cè)裂紋尖端金屬物質(zhì)

表3　彎管裂紋處能譜分析結(jié)果

圖8　裂紋處的SEM掃描電鏡形貌和EDS能譜圖

2　形成原因分析

（1）從表1化學(xué)成分分析的情況看，母材中w（Cu）=0.14%，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的0.35%，所以可排除母材本身Cu含量高的可能。

（2）通過金相組織可以看到，試樣表面存在裂紋，裂紋內(nèi)及裂紋尖端發(fā)現(xiàn)黃色金屬物質(zhì)，裂紋擴(kuò)展主要呈沿晶特征；試樣裂紋附近表面也發(fā)現(xiàn)黃色金屬物質(zhì)，該物質(zhì)的擴(kuò)展路徑也呈沿晶特征。通過掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)有大量Cu存在，所以Cu應(yīng)該來自彎管外界。

（3）熱煨彎管加工過程中，感應(yīng)線圈加熱母管的溫度在1 000℃左右，母管局部受到高溫變軟，母管尾部施加推力，在懸臂的牽引下逐步變彎，同時(shí)用0.02～0.04 MPa的鹽水進(jìn)行淬火處理，文獻(xiàn)[4]表明，X70控軋鋼經(jīng)淬火處理后，其金相組織發(fā)生很大的變化，淬鹽水后母材組織由原來的針狀鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w+少量塊狀鐵素體，后期通過熱處理消除殘余應(yīng)力，能使彎管達(dá)到很好的力學(xué)性能。在煨制過程中，加熱溫度會(huì)有一定的波動(dòng)，外弧側(cè)溫度會(huì)高于Cu的熔點(diǎn)1 083℃，文獻(xiàn)[5]表明，隨著Fe的選擇性氧化，Cu在基體—氧化層之間形成Cu的富集[6]，形成液態(tài)富Cu相，液態(tài)富Cu相會(huì)沿著粒狀貝氏體滲透產(chǎn)生裂紋，而在彎曲過程中外弧側(cè)受到較大的拉應(yīng)力，也進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張[7]。

3　預(yù)防措施

（1）《油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管通用技術(shù)條件》中5.1.3明確規(guī)定:彎管用鋼管表面應(yīng)無油污。鋼管在制造、搬運(yùn)、裝卸過程中不允許與低熔點(diǎn)金屬（Cu，Zn，Sn和Pb等）接觸，否則應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎㄈ鐕娚埃┣宄?/p>

（2）彎管生產(chǎn)前對母管進(jìn)行仔細(xì)檢查是很有必要的，對于銹蝕嚴(yán)重的母管最好能進(jìn)行噴砂處理，以免造成彎管不合格。

4　結(jié)語

通過分析發(fā)現(xiàn)外來Cu污染是造成彎管外弧側(cè)開裂的主要原因，因此，母管在制造、搬運(yùn)、裝卸過程中應(yīng)避免與低熔點(diǎn)金屬（Cu，Zn，Sn和Pb等）接觸，否則易造成彎管裂紋的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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