油氣長輸管道裂紋缺陷產(chǎn)生原因

張輝宇，張瑞軒

(1.中石化集團勝利石油管理局海上石油工程技術檢驗中心，東營 257064; 2.南京大學 現(xiàn)代工程及應用科學學院, 南京 210023)

油氣長輸管道裂紋缺陷產(chǎn)生原因

張輝宇1，張瑞軒2

(1.中石化集團勝利石油管理局海上石油工程技術檢驗中心，東營 257064; 2.南京大學 現(xiàn)代工程及應用科學學院, 南京 210023)

介紹了油氣長輸管道檢測中發(fā)現(xiàn)的多種類型裂紋，通過冶煉過程分析、定量光譜分析及金相分析，查出了裂紋的產(chǎn)生原因,為長輸管道質(zhì)量提供了有力保障。

冷裂紋；熱裂紋；延遲裂紋；定量光譜分析；非金屬夾渣物；焊接工藝評定

眾所周知，裂紋是金屬原子間的結合遭到破壞，原子間形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙,是焊接缺陷中危害最大的一種缺陷。裂紋的出現(xiàn)將顯著地減少承載面積，更嚴重的是裂紋端部會形成尖銳缺口，致使應力高度集中而發(fā)生擴展。如果裂紋沒有被發(fā)現(xiàn)而存在于焊接接頭中，在循環(huán)載荷的作用下，裂紋將在焊接接頭中擴展，引起焊接接頭的失效，造成管線的泄漏，后果和危害是不可預料的。所以，在焊接界有著“聞‘裂’色變”的說法[1]。

筆者介紹了幾種油氣長輸管道中裂紋的射線檢測圖像，通過冶煉過程分析、定量光譜分析及金相分析等，查出了裂紋產(chǎn)生的原因，為長輸管道質(zhì)量提供了有力保障。

1 裂紋的分類及產(chǎn)生原因

裂紋的分類形式較多，可按照裂紋大小、裂紋延伸方向、裂紋發(fā)生部位、裂紋產(chǎn)生時機和條件等對其進行分類。

工程長輸管道射線照相底片采用CR和γ源(Ir192)、傳統(tǒng)底片Agfa C7曝光技術，用肉眼評定。筆者將裂紋按照發(fā)生部位進行分類，分為橫向裂紋(于焊縫垂直)、縱向裂紋(于焊縫平行)、輻射狀裂紋等[1]。

1.1 橫向裂紋

圖1 橫向裂紋示例

一般橫向裂紋大多屬于冷裂紋。由于冷裂紋的延遲和快速脆性特征，給長輸管道帶來的危害是災難性的。圖1為橫向裂紋示例。圖1(a)中裂紋方向垂直于焊縫方向，有許多微小裂紋；處于熱影響區(qū)，裂紋從母材處延伸至焊接接頭中，并且還有進一步延伸擴展趨勢;圖1(b)中裂紋方向垂直于焊縫方向，有微小裂紋；裂紋從母材直縫處首先開裂，伴隨著焊接延伸至焊接接頭中，并且還有進一步延伸擴展趨勢,裂紋的另一方向延伸至母材內(nèi)部;圖1(c)中裂紋方向垂直于焊縫方向，裂紋從熱影響區(qū)首先開裂，伴隨著焊接延伸至焊接接頭中，進一步向母材深處和焊接接頭中延伸擴展。

發(fā)現(xiàn)橫向裂紋的焊接接頭的壁厚都是9.5 mm，將發(fā)生裂紋的焊接接頭管材熱加工號進行分析，發(fā)現(xiàn)熱加工號數(shù)值不同，不是一批爐號的管材。

通過定量光譜分析及金相分析，發(fā)現(xiàn)Si 、Mn元素與廠家提供的元素含量不一致，高于管線提供的值[2]。Si元素含量過高會造成材料的脆性,材料室溫下形成脆裂。此即橫向裂紋產(chǎn)生的原因。

1.2 縱向裂紋 熱裂紋是結晶裂紋，其生成的原因是焊縫金屬在凝固過程中，結晶偏析生成雜質(zhì)低熔點共晶物富集于晶界，形成“液態(tài)薄膜”。在特定的敏感溫度區(qū)間，“液態(tài)薄膜”強度極低。由于焊縫凝固收縮受到拉應力，最終開裂形成裂紋,所以縱向裂紋一般是熱裂紋。

圖2 縱向裂紋示例

縱向裂紋示例如圖2所示。圖2(a)中裂紋方向平行于焊縫方向，呈鋸齒狀，該焊接接頭為返修焊口，裂紋處于熔合區(qū);圖2(b)中裂紋方向平行于焊縫方向，呈鋸齒狀，該焊接接頭為返修焊口，裂紋處于熱影響區(qū);圖2(c)中裂紋方向平行于焊縫方向，呈鋸齒狀，該焊接接頭為返修焊口，裂紋處于焊縫區(qū)。

該縱向裂紋產(chǎn)生原因為：① 在焊接工藝評定中，需要將母材預熱到最低溫度(80 ℃)，在焊接接頭的根部焊接時是STT(實芯焊絲氬氣保護)打底,施工方?jīng)]有做好焊前預熱，根焊打底后，由于環(huán)境溫度較低，焊縫溫度降低很快，形成裂紋；② 由于根焊打底時，管線發(fā)生移動，對口器對管線鎖緊不夠,造成應力的形成，并施加到焊接接頭，形成裂紋；③ 焊接組對時，管線中心線距離較大，施工方采用千斤頂時，造成應力的形成，并施加到焊接接頭上，形成裂紋。

1.3 放射狀裂紋

文中所述案例出現(xiàn)在焊后一段時間(幾小時，幾天甚至更長的時間)，故也稱延遲裂紋。一般焊后24 h，冷裂紋出現(xiàn)率為92%，無損檢測都能發(fā)現(xiàn)。放射狀裂紋示例如圖3所示。

圖4 裂紋解剖示意

對圖3中裂紋處解剖，并對該區(qū)域做定量光譜分析，發(fā)現(xiàn)Ca、Si、Mn元素超標。裂紋解剖示意如圖4所示。

眾所周知，鋼廠在冶煉時，用Si 、Mn脫氧、脫硫時形成非金屬氧化物。

如果非金屬氧化物熔渣在冶煉處沒有與鐵水分離，就會混進鋼坯中，鋼坯在隨后的鍛造過程中，非金屬夾渣物被軋制成為扁平的層狀缺陷，即解剖檢測發(fā)現(xiàn)的焊接接頭內(nèi)部位置的夾層缺陷。

X65M管線鋼是多元素微合金強化低碳鋼，X65M管線鋼和其焊接接頭的金屬夾雜物在伸長率上存在很大差異[3]。在環(huán)境溫度和外部應力的作用下，逐漸產(chǎn)生了3條裂紋。

明確原因后，檢查了該焊接接頭的板材加熱號，對該批管材的焊接接頭又重新進行無損檢測，再次發(fā)現(xiàn)1條裂紋。

由于該工程發(fā)現(xiàn)裂紋較多，在管道工程的壓力試驗中，在標準允許的情況下，需要加大試驗壓力，延長氣密性試驗的時間，在工程開工前將裂紋全部找出，保證管道介質(zhì)在長時間使用和運輸中的安全。

2 結語

筆者將在國際長輸管道工程中遇到的大量多種類型裂紋進行了射線檢測和金相分析，查找出裂紋產(chǎn)生原因，以供同行參考。

[1] 王曉雷.承壓類特種設備無損檢測相關知識[M]. 北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[2] ASME V 2013 Nondestructive testing[S].

[3] 田慶榮,王克杰.非金屬夾渣物和金相組織對板材伸長率的影響 [J].物理測試, 2011,29(4):23-25.

The Causes of Crack Defects in Long Distance Oil and Gas Pipeline

ZHANG Huiyu1, ZHANG Ruixuan2

(1.Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau of Offshore Oil Engineering Technology Inspection Center,Dongying 257064, China;2.College of Engineering and Applied Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

The detection of various types of cracks in long distance pipeline is introduced, through the analysis of smelting process, quantative spectral analysis and metallographic analysis, the causes resulting in the cracks are analyzed, and the corresponding treatment is carried out. It provides a strong guarantee of quality for the long distance pipeline.

cold crack; hot crack; delay crack; quantitative spectral analysis; nonmetal slag inclusion; welding procedure of specification

2016-09-12

張輝宇(1970-)，男，高級工程師，主要從事無損檢測工作

張輝宇， zhanghuiyu1970@163.com

10.11973/wsjc201707017

TG115.28

B

1000-6656(2017)07-0073-02