L 360螺旋焊熱煨彎管外弧產(chǎn)生裂紋的原因分析

榮 明 鮮 寧 張楠革 張 麗 周輝輝

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院， 四川 成都 610213；3.長(zhǎng)慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部興隆園物業(yè)服務(wù)處， 陜西 西安 710018；4.杭州汽輪輔機(jī)有限公司， 浙江 杭州 310022

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L 360螺旋焊熱煨彎管外弧產(chǎn)生裂紋的原因分析

榮 明1鮮 寧1張楠革2張 麗3周輝輝4

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院， 四川 成都 610213；3.長(zhǎng)慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部興隆園物業(yè)服務(wù)處， 陜西 西安 710018；4.杭州汽輪輔機(jī)有限公司， 浙江 杭州 310022

某制造廠在用L 360螺旋焊管生產(chǎn)熱煨彎管的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)彎管出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，對(duì)彎管母管進(jìn)行理化檢驗(yàn)和金相分析，確認(rèn)母管材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。采用金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)對(duì)裂紋斷口的組織結(jié)構(gòu)、微觀形貌以及裂紋區(qū)域的化學(xué)成分分布進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)有Cu污染，并結(jié)合熱煨彎管的制造過(guò)程，對(duì)熱煨彎管開(kāi)裂的原因進(jìn)行深入討論。研究結(jié)果顯示：母管表面的Cu污染是造成彎管在煨制過(guò)程中開(kāi)裂的主要原因，提出了相應(yīng)的生產(chǎn)質(zhì)量控制措施。

熱煨彎管；裂紋；Cu污染；螺旋焊管

0 前言

某制造廠采用Φ 406×10的L 360螺旋焊管通過(guò)感應(yīng)加熱進(jìn)行熱煨彎管制造，生產(chǎn)出來(lái)的彎管在后期的無(wú)損檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在大量缺陷。表面探傷發(fā)現(xiàn)部分彎管外表面有裂紋存在，裂紋位于受彎曲拉應(yīng)力的外弧側(cè)，大部分裂紋沿環(huán)向分布。根據(jù)文獻(xiàn)資料[1-9]，彎管在制造過(guò)程中，很多因素都可能影響彎管質(zhì)量，彎管質(zhì)量將影響管網(wǎng)運(yùn)行安全。為了提高彎管質(zhì)量，本文對(duì)彎管產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析，以期為熱煨彎管生產(chǎn)制造質(zhì)量控制提供參考。

1 熱煨工藝和試驗(yàn)材料

彎管材質(zhì)為L(zhǎng) 360，生產(chǎn)工藝流程為：原材料入廠檢驗(yàn)—投料—熱煨彎制—消應(yīng)力退火—噴砂—檢測(cè)。熱煨工藝采用中頻感應(yīng)加熱，溫度控制在900～1 000 ℃，邊加熱邊彎曲邊噴水冷卻，冷卻介質(zhì)為清水，然后585 ℃消除應(yīng)力退火。彎管外弧受拉面存在裂紋，多數(shù)為環(huán)向，最長(zhǎng)約20 mm，但也有龜裂狀的，方向與彎管時(shí)的拉應(yīng)力垂直。

選取母管1根、沒(méi)有裂紋的彎管1只、帶裂紋的彎管2只進(jìn)行取樣分析，彎管分別在直管段和外弧側(cè)取樣。母管樣品、彎管直管段樣品分別進(jìn)行金相組織和理化性能測(cè)試，帶裂紋的彎管在裂紋處取樣，采用SEM和EDS進(jìn)行形貌和化學(xué)成分分析。

2 彎管裂紋原因分析

2.1 L 360母管材質(zhì)分析

根據(jù)劉迎來(lái)等人[1]對(duì)X 70熱煨彎管開(kāi)裂原因的分析，母管中的夾渣會(huì)造成彎管開(kāi)裂，因此，本次分析首先復(fù)驗(yàn)了母管的質(zhì)量。對(duì)母管、開(kāi)裂彎管的直管取樣進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：兩種被測(cè)樣品的化學(xué)成分和力學(xué)性能基本一致，均符合GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，對(duì)兩個(gè)樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其測(cè)試結(jié)果顯示，兩樣品的金相組織和硬度基本一致，金相組織良好，均為鐵素體+珠光體，晶粒細(xì)小均勻，未見(jiàn)非金屬夾雜，硬度在170 HV 10～180 HV 10之間。此外，采用超聲波和磁粉探傷對(duì)母管進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)母管表面和內(nèi)部存在原始裂紋。

母管材質(zhì)分析表明，用于制造彎管的母管符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且金相組織良好，可以排除因母管質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致熱煨彎管開(kāi)裂。

2.2 彎管裂紋分析

對(duì)可開(kāi)裂彎管進(jìn)行宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：裂紋表面附近區(qū)域與其他區(qū)域顏色存在差異，隱約可見(jiàn)呈銅褐色。為進(jìn)一步查明熱煨彎管失效的真正原因，沿開(kāi)裂彎管的開(kāi)裂部位進(jìn)行取樣。裂紋位于外弧承受拉應(yīng)力的表面，裂紋沿環(huán)向長(zhǎng)大約12 mm(垂直于拉應(yīng)力)，深約3 mm，裂紋沿深度方向的宏觀特征見(jiàn)圖1，裂紋尖端特征見(jiàn)圖2。

圖1 裂紋宏觀特征(沿深度方向)

圖2 裂紋尖端特征

為了弄清裂紋內(nèi)部的特征，沿壁厚方向剖開(kāi)裂紋斷口，在斷口面發(fā)現(xiàn)：近表面的斷口大多覆蓋一層銅褐色的薄膜，隨著裂紋深度向內(nèi)擴(kuò)展，逐漸變色，至裂紋深處時(shí)，斷口表面則覆蓋一層黑褐色的薄膜。采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)技術(shù)，對(duì)不同深度斷口面的微觀形貌和微區(qū)化學(xué)成分進(jìn)行分析。在去除斷口表面薄膜前，斷口在掃描電鏡(SEM)下的微觀形貌見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，裂紋斷口表面大都覆蓋一層薄膜，采用EDS對(duì)斷口表面微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，裂紋斷口的化學(xué)成分主要為Fe、O、Cu。裂紋源處和裂紋深處均檢測(cè)到Cu元素的存在，其含量存在明顯差異且遠(yuǎn)高于母材的Cu含量，見(jiàn)表1。綜合斷口宏觀檢查時(shí)觀察到顏色變化趨勢(shì)，可推斷斷口表面的薄膜主要為銅和氧化物。

a)裂紋源處

b)裂紋深處圖3 除去表面薄膜前斷口的SEM照片

a)裂紋源處

b)裂紋深處圖4 EDS測(cè)試結(jié)果

表1 微區(qū)化學(xué)質(zhì)量成分 ()

去除斷口表面薄膜后，再采用SEM觀察斷口的微觀形貌。裂紋斷口表面依然可見(jiàn)未完全除去的薄膜，斷口表面二次裂紋被觀察到，沿晶開(kāi)裂的微觀特征也被觀察到，見(jiàn)圖5。更高放大倍數(shù)下的斷口沿晶開(kāi)裂特征見(jiàn)圖6。

a)裂紋源處

b)裂紋深處圖5 裂紋斷口的SEM照片

圖6 冰糖狀沿晶開(kāi)裂的斷口特征

3 產(chǎn)生裂紋的原因分析

根據(jù)對(duì)裂紋斷口的微觀形貌和微區(qū)化學(xué)成分分析，在斷口表面存在Cu元素，斷口呈現(xiàn)沿晶斷裂特征，分析表明：本次彎管出現(xiàn)裂紋主要是由于液態(tài)金屬脆化引起，即銅脆。對(duì)母材的金相組織和理化性能測(cè)試結(jié)果表明：Cu不是來(lái)自母材自身，而是源自外部。綜合彎管宏觀檢查結(jié)果，焊管表面局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有銅，從其制造過(guò)程分析，可能是焊接時(shí)焊接電纜膠皮破損，露出銅線，與焊管接觸打弧，銅線熔化粘在焊管表面。

銅的熔點(diǎn)為1 083 ℃，本次熱煨彎管工藝的感應(yīng)溫度在900～1 000 ℃。然而，在煨制過(guò)程中，加熱溫度可能會(huì)有一定波動(dòng)，此外，材料在變形過(guò)程中也會(huì)因釋放變形能而導(dǎo)致溫度升高，從而使得彎管外弧側(cè)的實(shí)際溫度可能會(huì)高于1 083 ℃，導(dǎo)致Cu熔化并沿晶界滲入L 360螺旋管基體，弱化管體力學(xué)性能。

根據(jù)冶金過(guò)程熱力學(xué)[10]，Cu和Fe的氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能分別為：

ΔF0=-80 000+34.6T

(1)

ΔF0=-124 100+29.9T

(2)

由式(1)、(2)可見(jiàn)，Cu2O相比FeO具有更高的穩(wěn)定性，因此，F(xiàn)e會(huì)被優(yōu)先氧化，導(dǎo)致裂紋斷口表面覆蓋Fe的氧化物和富集Cu。

在熱煨彎制過(guò)程中，彎管外弧側(cè)受彎曲拉應(yīng)力，由于Cu浸入基體使得晶粒間的結(jié)合力被弱化，在拉伸應(yīng)力作用下使得基體導(dǎo)致沿晶型裂紋。在消應(yīng)退火時(shí)，由于空氣進(jìn)入裂紋縫隙，裂紋表面進(jìn)一步氧化，對(duì)裂紋有撐開(kāi)的效果，致使原來(lái)不明顯的裂紋變得明顯可見(jiàn)。

該制造廠再次采用相同的生產(chǎn)工藝進(jìn)行熱煨彎管制造，在生產(chǎn)過(guò)程中避免了Cu的影響，生產(chǎn)出來(lái)的彎管全部合格。

4 結(jié)論與建議

L 360螺旋管管體表面的Cu污染是導(dǎo)致在熱煨彎制過(guò)程彎管出現(xiàn)裂紋的主要原因，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免任何與Cu接觸的環(huán)節(jié)。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)彎管生產(chǎn)質(zhì)量控制，用于制造彎管的母管在制造、搬運(yùn)、裝卸過(guò)程中不允許與低熔點(diǎn)金屬接觸，否則應(yīng)采用噴砂等適當(dāng)方法清除，以免造成彎管不合格。

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2015-09-27

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”(2011 ZX-05059)

榮 明(1986-)，女，湖北仙桃人，工程師，碩士，從事石油化工管道設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.015