某輸氣管線環(huán)焊縫泄漏失效分析

張 良，羅金恒，任國琪，張 皓

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

某輸氣管線環(huán)焊縫泄漏失效分析

張 良，羅金恒，任國琪，張 皓

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

為了分析某輸氣管線環(huán)焊縫泄漏失效原因，預(yù)防類似事件發(fā)生，通過磁粉檢測、夏比沖擊功測試、金相分析和掃描電鏡等方法對環(huán)焊縫泄漏原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：環(huán)焊縫存在原始裂紋是管線發(fā)生泄漏的主要原因，受補(bǔ)焊作業(yè)影響，原始裂紋在焊接時已經(jīng)形成，在附加應(yīng)力、運(yùn)行壓力及焊接殘余應(yīng)力的共同作用下，焊接裂紋優(yōu)先在晶粒粗大和高應(yīng)力處等敏感位置相互連接，最終發(fā)生泄漏。建議提高管線焊接質(zhì)量，并加強(qiáng)無損檢測力度。

管線；環(huán)焊縫；補(bǔ)焊；原始裂紋；泄漏

世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展對石油天然氣的需求與日俱增，管道輸送作為最為經(jīng)濟(jì)和安全的輸送方式，在近50年得到了快速發(fā)展。由于焊接接頭由母材、焊縫及熱影響區(qū)組成，各部分的力學(xué)性能存在一定差異，從而焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會受到焊接接頭材料不均勻性的影響[1]。相比較而言，鋼管作為一個整體，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要高于環(huán)焊縫，所以環(huán)焊縫就成為整條管線結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，環(huán)焊縫失效的主要原因?yàn)楹附淤|(zhì)量不穩(wěn)定，特別是根焊、返修及補(bǔ)焊質(zhì)量較差，也有個別是附加載荷引起的，其防治重點(diǎn)應(yīng)放在管線建設(shè)質(zhì)量控制上[2]。本研究對某輸氣管線環(huán)焊縫泄漏原因開展失效分析，為油氣管道安全運(yùn)行提供參考。

1 宏觀分析及磁粉檢測

1.1 宏觀分析

某輸氣管線直管段與彎頭連接處環(huán)焊縫發(fā)生泄漏，直管段是L450鋼級Φ864mm×8.8mm直縫埋弧焊管，彎管段是L450鋼級Φ864mm×14mm熱煨彎頭。在現(xiàn)場割管、換管時管道發(fā)生回彈，回彈量約300mm，說明存在附加彎曲應(yīng)力[3]。另外，從環(huán)焊縫內(nèi)表面的焊瘤處發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫存在補(bǔ)焊痕跡，補(bǔ)焊長度約200mm。環(huán)焊縫內(nèi)表面形貌如圖1所示。

1.2 磁粉檢測

采用CJZ-212E型磁粉檢測儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109—2005《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》對環(huán)焊縫內(nèi)、外表面進(jìn)行磁粉檢測，檢測結(jié)果如圖2所示。從圖2可看出，泄漏裂紋在環(huán)焊縫外表面的長度為105mm，內(nèi)表面長度為220mm，裂紋位于直管側(cè)焊趾處。

圖1 環(huán)焊縫內(nèi)表面形貌

圖2 環(huán)焊縫磁粉檢測照片

2 性能測試

為了分析環(huán)焊縫性能，在管線未泄漏部位取夏比沖擊和金相試樣，在裂紋處取金相試樣和電鏡試樣，分析裂紋周圍組織及斷口形貌。

2.1 夏比沖擊試驗(yàn)

采用PIT752D-2(300J)型沖擊試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對環(huán)焊縫及其熱影響區(qū)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為-40℃，夏比沖擊試樣規(guī)格為55mm×10mm×5mm，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出，環(huán)焊縫夏比沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 輸氣管線環(huán)焊縫夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.2 金相分析

采用MeF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，依據(jù)GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對環(huán)焊縫未泄漏部位進(jìn)行金相分析。結(jié)果表明：環(huán)焊縫未泄漏部位組織無異常，環(huán)焊縫外焊縫組織為粒狀貝氏體，內(nèi)焊縫組織為針狀鐵素體+珠光體(PF+P)；外焊縫熔合區(qū)組織為粒狀貝氏體(B粒)，內(nèi)焊縫熔合區(qū)組織為針狀鐵素體+珠光體(PF+P)；細(xì)晶區(qū)組織為針狀鐵素體+珠光體(PF+P)。

環(huán)焊縫剖面低倍形貌如圖3所示。從圖3可以看出，彎頭與直管壁厚相差較大，彎頭壁厚為14.16mm，直管壁厚為8.77mm，兩者壁厚相差5.39mm。管線設(shè)計(jì)要求采用壁厚為12.5mm的直管與彎頭連接，說明現(xiàn)場未按照設(shè)計(jì)要求施工。另外，由于壁厚相差較大，該環(huán)焊縫在壁厚較薄的直管側(cè)存在一定應(yīng)力集中[4]。

圖3 環(huán)焊縫剖面低倍形貌

3 裂紋分析

3.1 宏觀觀察

環(huán)焊縫斷后宏觀形貌如圖4所示。從圖4(a)可以看出，清洗前斷口表面覆蓋一層淺黃色的腐蝕產(chǎn)物，可能為泄漏裂紋形成后氧化腐蝕所致；彎頭側(cè)環(huán)焊縫內(nèi)表面存在大量焊瘤，初步判斷是由補(bǔ)焊產(chǎn)生；另外，可以明顯地看出彎頭與直管壁厚相差較大。從圖4(b)可以看出，斷口表面淺黃色的腐蝕產(chǎn)物已去除，說明該腐蝕產(chǎn)物是環(huán)焊縫發(fā)生泄漏后發(fā)生氧化腐蝕形成的銹蝕；整個斷口呈灰黑色，與機(jī)械掰斷后形成的新鮮斷口呈鮮明對比，一般來說，灰黑斷口表面的灰黑色產(chǎn)物為高溫氧化所致[5]，這與環(huán)焊縫受到補(bǔ)焊熱處理的情況吻合，說明原始裂紋極有可能在補(bǔ)焊前或補(bǔ)焊時已經(jīng)形成。

圖4 清洗前后環(huán)焊縫斷口宏觀形貌

3.2 微觀形貌分析

采用TESCAN-VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)行微觀形貌觀察及能譜分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5中斷口沿壁厚方向可分為3個區(qū)域，根據(jù)環(huán)焊縫的焊接步驟可知，這3個區(qū)域分別為根焊、填充焊和蓋面焊。斷口根焊區(qū)臺階較多，并且裂紋起源于根焊位置；填充焊區(qū)較為平坦，填充焊與蓋面焊過渡區(qū)亦為臺階形貌，蓋面焊區(qū)則較為平齊。如圖6所示，受腐蝕影響，源區(qū)斷口形貌已無法看清，能譜分析結(jié)果顯示該位置主要成分為Fe、O、S和Si，氧化鐵是源區(qū)和斷口灰黑色產(chǎn)物的主要成分，S則來源于輸送介質(zhì)，在運(yùn)行過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硫化物，說明裂紋在運(yùn)行時已經(jīng)形成。

圖5 環(huán)焊縫斷口微觀形貌

圖6 斷口源區(qū)能譜分析結(jié)果

3.3 裂紋剖面分析

圖7 裂紋尖端剖面分析

裂紋尖端剖面分析結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)低倍觀察可以看出，環(huán)焊縫泄漏位置有明顯二次熱處理痕跡，是典型的補(bǔ)焊返修特征，從根焊形貌及熱處理痕跡來看，是將原焊縫刮除后進(jìn)行的補(bǔ)焊作業(yè)；裂紋起源于壁厚較薄的直管側(cè)根焊焊趾處，但裂紋并未沿焊縫的熔合區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，而是穿過焊縫擴(kuò)展，說明裂紋擴(kuò)展時所受應(yīng)力較大。圖7(b)裂紋高倍分析可以看出，裂紋尖端兩側(cè)組織不同，一側(cè)為正常的鐵素體+珠光體(PF+P)，另一側(cè)為針狀鐵素體+鐵素體+魏氏鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體(IAF+PF+WF+B粒+P)，受補(bǔ)焊影響，B粒和WF組織較為粗大，會降低材料韌性[6]。

4 分析討論

焊縫斷口表面灰黑色一般是由高溫氧化所致，能譜分析也證實(shí)了灰黑色產(chǎn)物為鐵的氧化物，由此可以判斷裂紋形成時(或形成后)曾受到高溫氧化，而泄漏處曾進(jìn)行過補(bǔ)焊作業(yè)，說明泄漏裂紋是在補(bǔ)焊時(或補(bǔ)焊前)形成[7]，即該環(huán)焊縫泄漏是由于存在原始裂紋所致[8-9]。

環(huán)焊縫開裂位于直管側(cè)根焊焊趾處，由于環(huán)焊縫兩側(cè)壁厚相差較大，在直管側(cè)焊趾處形成應(yīng)力集中，并且環(huán)焊縫受到不合規(guī)的補(bǔ)焊作業(yè)影響，在焊縫與母材熔合區(qū)存在粗大的B粒和WF組織，不良組織使得材料抗脆性起裂及擴(kuò)展的能力下降[10-11]；裂紋由根焊焊趾處起裂，但未沿熔合區(qū)(焊縫的薄弱區(qū)域)擴(kuò)展，說明環(huán)焊縫受到應(yīng)力較大，在現(xiàn)場割管、換管時管道發(fā)生回彈，即證實(shí)了環(huán)焊縫受到了橫向附加載荷。因此，在不良組織、應(yīng)力集中、附加載荷、運(yùn)行壓力及焊接殘余應(yīng)力等因素的綜合作用下，裂紋穿透環(huán)焊縫，最終發(fā)生泄漏。

5 結(jié)論及建議

環(huán)焊縫發(fā)生泄漏是由于焊縫存在原始裂紋所致。受補(bǔ)焊作業(yè)影響，原始裂紋在焊接時已經(jīng)形成，在附加應(yīng)力、運(yùn)行壓力及焊接殘余應(yīng)力的共同作用下，焊接裂紋優(yōu)先在晶粒粗大和高應(yīng)力處等敏感位置相互連接，最終發(fā)生泄漏。由于原始缺陷在補(bǔ)焊時已經(jīng)形成，但補(bǔ)焊后環(huán)焊縫無損檢測并未查出該裂紋，建議提高環(huán)焊縫焊接質(zhì)量，嚴(yán)格控制焊接工藝，加強(qiáng)無損檢測力度。

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Leakage Failure Analysis of Some Gas Transportation Pipeline Circumferential Weld

ZHANG Liang,LUO Jinheng,REN Guoqi,ZHANG Hao
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In order to analyze the leakage failure reason of some gas transportation pipeline circumferential weld and prevent the similar incidents.The leakage failure reasons of circumferential weld were analyzed by magnetic particle testing,Charpy impact test,metallographic examination and scanning electron microscopy.The results showed that the original crack existingin circumferential weld is the main reason.Influenced by repair welding operation,the original crack formedin the welding.Under the combined action of the additional stress,running pressure,and welding residual stress,the welding cracks were interconnectedin some sensitive positions,priorityin coarse grains and high stress areas,eventually leaked.It is suggested that to improve the quality of pipeline welding,and strengthen the nondestructive testing.

pipeline;circumferential weld;repair welding;original crack;leakage

TG455

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.015

張 良(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事油氣輸送管道安全評價與失效分析工作，發(fā)表論文10余篇。

2016-08-22

李 超