天然氣管道彎管開裂原因分析

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

0 引言

某機(jī)組系390 MW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，投運(yùn)生產(chǎn)至今將近一年(11個(gè)月)，在日前的停機(jī)狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)距離前置模塊彎頭東側(cè)地面有氣泡冒出，對埋地管道進(jìn)行開挖后，確認(rèn)是天然氣管道發(fā)生泄漏。

該彎管尺寸規(guī)格為?273 mm(管徑)×10 mm(壁厚)，材料L450QB，彎管弧度半徑R=1 090 mm，是熱軋外部并采用3PE防腐，彎管出廠前做過水壓試驗(yàn)，安裝后由于填埋在地下無法進(jìn)行水壓試驗(yàn)。類似問題在基建期間另一機(jī)組前置模塊入口的彎管也發(fā)生過，當(dāng)時(shí)未深入分析，僅進(jìn)行了更換處理。為防止類似泄漏事故再次發(fā)生，保證設(shè)備安全運(yùn)行，對該開裂彎管和同管道直段部分進(jìn)行組織和性能對比，并進(jìn)行裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析[1]。

1 宏觀形貌分析

失效管道為一段彎管，裂紋位于彎管背弧側(cè)，上下兩個(gè)起弧位置各有1條裂紋。取其中1條天然氣彎管裂紋做宏觀形貌分析(見圖1)，此處裂紋長度在90 mm左右，環(huán)向開裂;同時(shí)，對該處裂紋附近區(qū)域進(jìn)行打磨處理，并采用ZEISS Stemi 2000-C型體視顯微鏡對其進(jìn)行宏觀檢查，打磨后的裂紋在管壁外環(huán)更為明顯(如圖2所示)，裂紋平直且貫穿內(nèi)外壁。失效管段沒有明顯的腐蝕減薄，也沒有宏觀可見的點(diǎn)蝕。

圖1 彎管裂紋宏觀形貌

圖2 彎管裂紋打磨后形貌

2 化學(xué)成分分析

在發(fā)生開裂的彎管附近和未發(fā)生開裂的遠(yuǎn)端直段的管道上分別取樣，在火花直讀光譜儀上進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 材料成分分析結(jié)果 %

從表1中可以看出，開裂彎管裂紋附近和遠(yuǎn)端直段材料的C含量分別達(dá)到0.269%和0.264%，遠(yuǎn)高于QSY GJX 101—2010《天然氣輸送管道用鋼管通用技術(shù)條件》中不超過0.12%的要求。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)要求，對于大于L360或X52、小于L485或X70的鋼級，Mn含量最大值不應(yīng)超過1.75%，Mn含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其他含量也都滿足要求。

3 金相組織分析

分別在開裂彎管裂紋附近和遠(yuǎn)端直段取樣制成金相試樣，利用ZEISS Axiovert 200型光學(xué)顯微鏡觀察。圖3示出開裂彎管內(nèi)外壁裂紋形貌，可以看出，近外壁較粗，越靠近內(nèi)壁越細(xì)，直至裂紋尖端止于內(nèi)壁。由此判斷裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，并貫穿整個(gè)管壁。

(a)近內(nèi)壁處

(b)近外壁處

圖3 開裂彎管內(nèi)外壁裂紋形貌

圖4示出裂紋放大后組織侵蝕前、后的形貌，可以看出，裂紋沿晶擴(kuò)展，主裂紋附近有較多細(xì)小的微裂紋，且呈分支多道發(fā)展形態(tài)。圖5示出開裂彎管裂紋附近和遠(yuǎn)端直段的金相組織照片，裂紋附近的金相是馬氏體組織，有明顯的淬硬組織；裂紋遠(yuǎn)端的直段金相是鐵素體+珠光體組織，但組織不均勻。在另一根未開裂彎管和直管上取樣進(jìn)行金相分析(見圖6)，彎管金相是馬氏體組織，與開裂彎管裂紋附近金相類似，有明顯淬硬組織異化；直管的金相屬于正常的鐵素體+珠光體組織[2]。

(a)未侵蝕

(b)侵蝕后

圖4 裂紋放大后組織侵蝕前和侵蝕后的形貌

4 力學(xué)性能分析

分別對開裂彎管裂紋附近和遠(yuǎn)端直段，以及另一根未開裂彎管和直管取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示彎頭位置(包括失效彎管和未開裂彎管)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均過高，延伸率只有11%和12%(見表2)，這與圖5，6中所示該處是淬硬組織的結(jié)果吻合。另外，未開裂彎管的直段位置拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均過低，未達(dá)QSY GJX 101—2010《天然氣輸送管道用鋼管通用技術(shù)條件》中要求。只有開裂彎頭裂紋遠(yuǎn)端直段的拉伸試驗(yàn)結(jié)果正常。

對開裂彎管裂紋附近和遠(yuǎn)端直段，以及未開裂彎管和直段進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果顯示失效彎管裂紋附近和遠(yuǎn)端直段的顯微硬度分別為475HV和229HV；未開裂管的彎管和直段的顯微硬度分別為495HV和209HV。硬度試驗(yàn)結(jié)果與金相分析結(jié)果相對應(yīng)，彎頭位置馬氏體淬硬組織硬度偏高，應(yīng)該是彎管熱處理工藝不當(dāng)所致。

表2 力學(xué)性能分析結(jié)果

5 分析與討論

經(jīng)查開裂彎管采取的煨制工藝，需要在一定的加熱溫度、加熱推進(jìn)速度、加熱帶寬度、冷卻速度下進(jìn)行。因?yàn)榇舜瘟鸭y位于地下彎管的背弧，由于該處應(yīng)力集中，若在煨制過程中沒有嚴(yán)格執(zhí)行合理的工藝，將導(dǎo)致材料韌性下降，使得該處缺陷較易脆性開裂、造成泄漏。L450QB鋼的原始金相是鐵素體+珠光體組織，金相分析顯示，彎頭位置(包括開裂和未開裂)的組織晶粒較大，板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)明顯。懷疑這種淬硬組織的出現(xiàn)與熱處理工藝有關(guān)，可能是加熱過程中溫度過高，組織形變成奧氏體后，又淬火+回火成馬氏體所致。淬硬組織的出現(xiàn)會使材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度等異常升高，同時(shí)韌性明顯下降[3-4]；本次彎管試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度過高和延伸率較低證實(shí)了以上論斷。

板條狀馬氏體鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度由多種強(qiáng)化機(jī)制決定，包括：純鐵的內(nèi)摩擦應(yīng)力；固溶強(qiáng)化增量(主要由C含量決定)；沉淀強(qiáng)化對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)(取決于析出物的體積分?jǐn)?shù)和大小)；位錯(cuò)對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)(主要由板條內(nèi)部的位錯(cuò)和小角度晶界面決定)；還有細(xì)晶強(qiáng)化對強(qiáng)化的貢獻(xiàn)。主要的強(qiáng)化方式有：固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化[5-6]。晶粒細(xì)化是唯一一種既能提高強(qiáng)度又能提高韌性的強(qiáng)化方式。組織細(xì)化后能明顯降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高材料的低溫韌性。鋼的韌性主要與裂紋的形核、長大以及擴(kuò)展有關(guān)。C含量過高，晶粒中大的夾雜物、碳氮化物等脆性相往往是裂紋優(yōu)先形核的區(qū)域[7]。因此，在熱處理過程中要注意控制好脆性相的體積、大小和分布，有利于提高韌性[8-11]。

本文認(rèn)為,在彎制管道過程中，彎頭位置所承受的應(yīng)力集中加劇，若該處材料金相組織在煨制過程中形成明顯的淬硬相和脆性相，裂紋將在此處優(yōu)先形成。顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果顯示，彎頭處硬度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)端直段硬度，彎管經(jīng)過不當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚭?，管材脆性加劇、韌性下降，裂紋受熱加速擴(kuò)展，直至最后裂穿[12]。

6 結(jié)語

(1)開裂和未開裂彎管的彎頭部位力學(xué)性能均不符合要求，硬度偏高，金相結(jié)果存在明顯的淬硬組織，且C含量超標(biāo)。碳氮化物等脆性相的形成將誘使裂紋缺陷在此處形核，由于熱處理工藝不當(dāng),使得管材脆性加劇，韌性下降，受熱加劇裂紋擴(kuò)展，直至最后裂穿泄漏。

(2)嚴(yán)格控制管道質(zhì)量，建議將該生產(chǎn)廠家同批次的彎管全面更換。后續(xù)更換過程中，督促廠家引起足夠重視，采取全過程監(jiān)督和檢查措施[13-14]，對彎頭部分和更換后產(chǎn)生的焊口進(jìn)行100%X射線檢查，合格后才能投入使用[15-16]。