天然氣場站異徑接頭開裂失效原因分析

李謙益

(陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 71001)

李謙益.天然氣場站異徑接頭開裂失效原因分析[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2018,33(2)：100-105.

LI Qianyi.Analysis of cracking failure causes of reducing joint in a natural gas distribution station[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2018,33(2):100-105.

引　言

異徑接頭(俗稱大小頭)作為重要的化工管道連接部件，受制造工藝、焊接質(zhì)量、工況參數(shù)交替變化影響，易出現(xiàn)裂紋失效現(xiàn)象。對于2009年撫順石化一開裂失效的在役異徑接管進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析、金相組織檢驗(yàn)和力學(xué)性能測試后得出的結(jié)論是:異徑接管在長期服役中,由于受迫振動(dòng)而造成疲勞開裂;2014年某電廠異徑管受管道出口溫度交替變化開裂。國內(nèi)外研究表明開裂除與工況變化有關(guān)外，也會與材料生產(chǎn)、安裝焊接有直接關(guān)系[1-2]。目前，異徑接管的開裂失效分析多基于有限元數(shù)值分析及雙橢球體熱源模型,通過制定不同的工藝方案,建立簡體與法蘭環(huán)焊縫焊接模型,并對不同工藝方案條件下的應(yīng)力場和變形場進(jìn)行數(shù)值分析，也包括一些材料化學(xué)成分分析、金相組織檢驗(yàn)和力學(xué)性能測試[3-4]。本文以RT、超聲波、磁粉等多種檢測方法測量數(shù)值為依據(jù)，增加了必要的微觀和綜合分析，使結(jié)論更加可靠。

1　裂紋概述

2017年12月某天然氣分輸站內(nèi)異徑接頭發(fā)生開裂失效，該異徑接頭已連續(xù)使用15年。輸送介質(zhì)為處理過的天然氣，氣質(zhì)符合二類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，存在微量H2S；開裂時(shí)支路壓力為1.70 MPa，支路氣體溫度為12.6 ℃，環(huán)境溫度為-2 ℃。該支路設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，設(shè)計(jì)操作壓力為2.75 MPa，設(shè)計(jì)溫度為15℃。裂紋斜穿異徑接頭，與接頭兩端連接的法蘭和管段有拉傷裂紋。小頭為主要受力點(diǎn)，接頭壁厚較均勻，未見明顯塑性變形，幾何尺寸見表1。

表1　異徑接頭幾何尺寸測量結(jié)果Tab.1　Geometric size measurement results of reducing joint

2　檢測方法

將該異徑接頭外表面防腐漆去除，依據(jù)NB/T 47013-2015標(biāo)準(zhǔn)對該異徑接頭兩端環(huán)焊縫進(jìn)行X射線檢測，依據(jù)ASTM E213-2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲檢測，依據(jù)ASTM E709-2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi)外表面磁粉檢測。對該異徑接頭兩端環(huán)焊縫進(jìn)行X射線檢測，為節(jié)約了檢測場地和時(shí)間，減小射線產(chǎn)生的電離輻射對工作人員造成傷害，采用M-RT技術(shù)，檢測未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、夾鎢、燒穿現(xiàn)象。采用TOFDF法(衍射時(shí)差法))進(jìn)行超聲檢測，在大頭發(fā)射脈沖，小頭接收到直通波后產(chǎn)生反射波。除在裂紋處接收到衍射波外，其他部位未接收到衍射波，說明只有一條裂縫。小頭與法蘭、大頭與直管段連接處都可見貫穿焊縫的裂紋，裂紋總長度約200 mm，利用磁粉也目測證明了裂紋深度和長度。

圖1　異徑接頭外表面經(jīng)磁粉檢測的裂紋特征Fig.1　Crack characteristics detectedon the outer surface of the reducing joint by magnetic powder

3　檢測結(jié)果及其分析

3.1　宏觀形貌分析

圖2為將異徑接頭沿軸向剖開后的內(nèi)表面宏觀形貌：該異徑接頭小頭環(huán)焊縫側(cè)壁厚小于法蘭壁厚、大頭環(huán)焊縫側(cè)壁厚小于管體壁厚，異徑接頭內(nèi)表面較光滑，呈金屬光澤，基體及焊縫均未見明顯腐蝕特征；裂紋穿過小頭焊縫后，主要沿異徑接頭過渡部位擴(kuò)展，與其軸向呈45°夾角，并已貫穿其壁厚。將裂紋機(jī)械打開后，可見該裂紋局部沿環(huán)焊縫小頭側(cè)焊根擴(kuò)展，穿過焊縫向法蘭方向繼續(xù)擴(kuò)展(該區(qū)域裂紋長度約20 mm)，另一側(cè)則向異徑接頭基體方向擴(kuò)展(該區(qū)域裂紋長度約180 mm)。沿焊縫焊根處及穿過焊縫處斷口呈銹紅色，表面較平坦，基體處斷面則呈現(xiàn)金屬光澤，表面較粗糙。焊根處斷口的宏觀形貌表明裂紋起源于小頭環(huán)焊縫內(nèi)表面的焊根處，源區(qū)平坦呈深褐色，并具有較密集的貝紋線分布，而貝紋線是典型的疲勞斷口宏觀形貌特征；裂紋擴(kuò)展區(qū)仍存在貝紋線特征，且弧線圓心指向裂紋源區(qū)，而在裂紋擴(kuò)展區(qū)靠近外表面?zhèn)瓤梢姶怪庇谪惣y線的疲勞臺階分布；裂紋瞬斷區(qū)位于異徑接頭基體處，其表面存在人字花樣匯聚于擴(kuò)展區(qū)尖端。

圖2　焊根處斷口形貌Fig.2　Morphology of crack at welding root

3.2　化學(xué)成分分析

從該異徑接頭基體大頭、基體過渡部位以及小頭環(huán)焊縫處取樣，依據(jù)GB/T 4336-2016標(biāo)準(zhǔn)，采用ARL 4460直讀光譜儀對其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。由檢測結(jié)果可知，該異徑接頭基體化學(xué)成分符合GB 6479-2000標(biāo)準(zhǔn)對20鋼材質(zhì)要求。

3.3　金相分析

從該異徑接頭基體大頭、基體過渡部位以及小頭環(huán)焊縫處取樣，依據(jù)GB/T 13298-2015、GB/T 10561-2005、GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)，采用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡、MeF3A金相顯微鏡對其顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3和表4，顯微組織照片如圖3所示。該異徑接頭基體組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7.0級，非金屬夾雜物A0.5，B0.5，D0.5，未見明顯異常。小頭環(huán)焊縫分為焊縫、熔合區(qū)和細(xì)晶區(qū)3個(gè)特征區(qū)域，其中焊縫由打底焊、 填充焊以及蓋面焊組成。 打底焊組織為鐵素體+珠光體，填充焊組織為鐵素體+珠光體+魏氏組織鐵素體，蓋面焊為晶內(nèi)成核針狀鐵素體+魏氏組織鐵素體+鐵素體+珠光體，熔合區(qū)為鐵素體+珠光體+魏氏組織鐵素體，細(xì)晶區(qū)為鐵素體+珠光體。

表2　化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.2　Chemical composition analysis results

表3　異徑接頭基體金相分析結(jié)果Tab.3　Metallographic analysis result of reducing joint matrix

注：F為鐵素體，P為珠光體。

表4　異徑接頭小頭環(huán)焊縫金相分析結(jié)果Tab.4　Metallographic analysis result of circumferential weldat small diameter end of reducing joint

注：F為鐵素體，P為珠光體，WF為魏氏組織鐵素體，IAF為晶內(nèi)成核針狀鐵素體。

圖3　基體顯微組織Fig.3　Microstructure of reducing join tmatrix

從該異徑接頭焊根處斷口和基體處斷口取縱截面試樣進(jìn)行金相分析，可見該斷口起裂于打底焊與母材熔合區(qū)，同時(shí)可見其起源處存在凹坑；而在該試樣相對應(yīng)的法蘭一側(cè)焊根處也可見一凹坑存在，如圖4所示。圖5為基體處斷口金相分析結(jié)果，可見靠近斷面的基體存在裂紋分布，裂紋起源于內(nèi)表面且較平直；而在該試樣斷口附近的焊根處出現(xiàn)微裂紋萌生；此外，填充焊內(nèi)還存在長徑小于500 μm的氣孔，氣孔周圍未見裂紋萌生。

圖4　焊根處斷口源區(qū)顯微組織Fig.4　Microstructure of crack initiation area at weld root

圖5　基體處斷口裂紋擴(kuò)展特征Fig.5　Crack propagation characteristics of reducing joint matrix

3.4　力學(xué)性能分析

從該異徑接頭基體大頭處(受取樣條件限制無法從基體過渡部位取沖擊試樣)、小頭環(huán)焊縫及其熱影響區(qū)處取縱向沖擊試樣，依據(jù)GB/T 229-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從該異徑接頭基體大頭、基體過渡部位以及小頭環(huán)焊縫處取硬度試樣，依據(jù)GB/T 4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，硬度測量點(diǎn)位置如圖6和圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果見表6。力學(xué)性能分析表明，盡管該異徑接頭基體-20℃沖擊功符合GB 6479-2000標(biāo)準(zhǔn)對20鋼低溫沖擊性能要求，但單個(gè)試樣沖擊功最低僅10 J，斷口剪切面積占比最低僅5 %，遠(yuǎn)低于小頭焊縫及熱影響區(qū)試驗(yàn)值。

3.5　微觀分析

從該異徑接頭裂紋機(jī)械打開后的斷口取樣，經(jīng)醋酸纖維+丙酮試劑清洗后，采用掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜分析儀對試樣進(jìn)行微觀形貌觀察和能譜分析。圖8為裂紋源區(qū)微觀形貌。裂紋源區(qū)位于焊根處，斷面呈穿晶解理特征，斷口無頸縮變形。

表5　夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.5　Charpy impact test results

注：依據(jù)GB 6479-2000標(biāo)準(zhǔn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果的評定按GB/T 17505標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一組3個(gè)試樣的平均值應(yīng)符合規(guī)定最小值的要求，允許其中有一個(gè)試樣的單個(gè)值低于規(guī)定值，但不低于規(guī)定值的70%。

圖6　基體硬度測量點(diǎn)示意圖(基體橫向)Fig.6　Matrix hardness measurement location diagram (matrix transverse)

圖7　焊縫硬度測量點(diǎn)示意圖Fig.7　Weld seam hardness measurement location diagram

基體大頭試驗(yàn)位置123456789硬度值(HV10)170181189173185187192196206基體過渡部位試驗(yàn)位置123456789硬度值(HV10)184195195181208203196214219小頭環(huán)焊縫試驗(yàn)位置123456789硬度值(HV10)144137142189196168163210127小頭環(huán)焊縫試驗(yàn)位置1011121314////硬度值(HV10)141168176167214////

圖9為裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌。裂紋擴(kuò)展區(qū)仍呈穿晶解理特征，在高倍下可觀察到斷面存在大量平行排列的二次裂紋帶，且二次裂紋帶均垂直于主裂紋擴(kuò)展方向，如圖中箭頭所示，符合疲勞斷口的微觀形貌特征。同時(shí)在該異徑接頭基體過渡部位處斷口斷面具有明顯脆性斷裂特征，出現(xiàn)大量匯聚為河流花樣的解理臺階[3-4]。斷口裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)能譜分析結(jié)果表明：裂紋源區(qū)主要分布Fe和O元素，此外還存在少量S和Si元素；裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)則主要分布Fe和少量O元素。各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Fe:84.57%，O:14.45%，Si:0.43%，S:0.55%(圖10).

圖8　裂紋源區(qū)微觀形貌Fig.8　Micromorphology of crack initiation area

圖9　裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌Fig.9　Micromorphology of crack propagation area

圖10　裂紋源區(qū)能譜分析結(jié)果Fig.10　Energy spectrum analysis result of crack initiation area

斷口金相分析可見，該異徑接頭焊根處斷口源區(qū)存在凹坑，對凹坑內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行能譜分析可知存在高含量的Fe和O元素，推測其主要為鐵的氧化物。此外，裂紋源區(qū)還存在少量S和Si元素。為進(jìn)一步確定其分布特征，取該異徑接頭基體遠(yuǎn)離斷口以及靠近斷口的內(nèi)表面試樣進(jìn)行能譜分析。分析結(jié)果表明：該異徑接頭遠(yuǎn)離斷口以及靠近斷口的內(nèi)表面均存在Fe、O和C元素以及少量S和Si元素；而沿焊根分布的黑色覆蓋物中O元素高達(dá)34.28 %，明顯高于內(nèi)表面其他區(qū)域，可推測其為焊接形成的高溫氧化物。

3.6　綜合分析

化學(xué)成分分析表明，該異徑接頭基體化學(xué)成分符合GB 6479-2000標(biāo)準(zhǔn)對20鋼材質(zhì)要求。幾何尺寸測量結(jié)果表明，該異徑接頭壁厚均勻，未見明顯塑性變形，同時(shí)該異徑接頭所處支路的運(yùn)行壓力僅為1.70 MPa，可排除過載導(dǎo)致該異徑接頭開裂的可能性。

裂紋打開面的宏觀形貌分析表明，該異徑接頭起裂于小頭焊縫基體側(cè)的焊根處，裂紋源區(qū)較平坦，其周圍未見明顯塑性變形，裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)均可見明顯的貝紋線分布，擴(kuò)展區(qū)邊緣還存在較多疲勞臺階，滿足疲勞斷口的宏觀形貌特征。裂紋打開面的微觀形貌分析表明該異徑接頭斷面呈穿晶解理狀，擴(kuò)展區(qū)存在較多平行排列的二次裂紋分布，且垂直于主裂紋擴(kuò)展方向，滿足疲勞斷口的微觀形貌特征。盡管能譜分析表明，該異徑接頭內(nèi)表面及斷口源區(qū)存在少量S元素分布，但由于內(nèi)表面各區(qū)域均未見明顯腐蝕特征，說明在長期服役過程中，天然氣介質(zhì)中微量的H2S僅造成該異徑接頭輕微腐蝕或含硫覆蓋物沉積，未對開裂行為造成明顯影響[5]。綜合上述分析可判斷，該異徑接頭失效機(jī)理為疲勞斷裂。

疲勞斷裂是機(jī)械構(gòu)件在交變載荷作用下的一種破壞行為。根據(jù)現(xiàn)場反饋信息可知，該異徑接頭在服役過程中具有較大振動(dòng)，即出現(xiàn)在其平衡位置附近作往復(fù)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。盡管振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力水平一般較低，但其在許多情況下都是有害的，最主要原因就是造成的高周期性交變載荷易誘發(fā)材料疲勞斷裂。該異徑接頭斷口與高周低應(yīng)力疲勞斷口特征相似，同時(shí)其源區(qū)呈深褐色、平坦光亮、嵌入氧化物，具有典型的振動(dòng)疲勞特征。然而，疲勞斷裂是一個(gè)損傷累積的過程，需經(jīng)過疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴(kuò)展與失穩(wěn)擴(kuò)展3個(gè)階段，其中裂紋萌生需要一定孕育期，即使材料處于交變應(yīng)力條件下，若其處于裂紋孕育期內(nèi)也不會萌生裂紋，而裂紋孕育期除與應(yīng)力幅大小有關(guān)外，還與構(gòu)件應(yīng)力集中狀況、材料性能等因素有很大關(guān)系。該異徑接頭起裂于焊根處，并沿熔合區(qū)方向擴(kuò)展，在其他區(qū)域焊縫的焊根處也發(fā)現(xiàn)微裂紋或分離狀凹坑存在，焊根為焊縫與基體交界處，而該異徑接頭與法蘭環(huán)焊縫屬于不等壁厚焊接，小頭內(nèi)徑大于法蘭內(nèi)徑，本就因焊接工藝和尺寸效應(yīng)易產(chǎn)生應(yīng)力集中；同時(shí)，焊縫與基體的熔合區(qū)分布的魏氏組織鐵素體屬于脆性相，對于疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展也起到一定促進(jìn)作用[6-7]。此外，力學(xué)性能分析表明，該異徑接頭基體材料的沖擊功及斷口剪切面積遠(yuǎn)低于焊縫及熱影響區(qū)，結(jié)合該異徑接頭基體的裂紋分布及其斷口出現(xiàn)的脆性特征可看出，該異徑接頭的韌性較低、抵抗裂紋擴(kuò)展能力較差，從而導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展至基體后快速失穩(wěn)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)與該異徑接頭連接管道在兩端螺栓松動(dòng)后依然不松動(dòng)，說明最初安裝過程即存在應(yīng)力，安裝應(yīng)力是造成設(shè)備疲勞破壞的重要原因。

4　結(jié)論及建議

(1)該異徑接頭開裂屬于疲勞斷裂，裂紋起源于小頭與法蘭焊縫的焊根處，服役過程中因振動(dòng)產(chǎn)生的交變載荷是導(dǎo)致失效的主要因素。該異徑接頭基體韌性較低對裂紋擴(kuò)展起到一定促進(jìn)作用。

(2)加強(qiáng)安裝過程監(jiān)管，減小安裝應(yīng)力。

(3)建議對同類異徑接頭環(huán)焊縫進(jìn)行排查，并開展振動(dòng)檢測工作，同時(shí)加強(qiáng)產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督。

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