16Mn鋼彎管的開裂原因

肖雯雯,杜志杰2,葛鵬麗,吳曉嫻2,曾文廣

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，烏魯木齊 830011； 2. 西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，西安 710065)

隨著油氣田開采深度的增加，油氣介質(zhì)含量不斷提高，油氣采集、處理和運輸?shù)仍O(shè)備的腐蝕開裂等問題屢有發(fā)生，這就要求材料的性能不斷提升[1-4]。某氣田集氣站中尺寸為φ114.3 mm×5.5 mm，材質(zhì)為16Mn鋼的埋地?zé)犰袕澒茉谑褂? a后發(fā)生泄漏。針對這一現(xiàn)象，本工作對失效彎管進(jìn)行了分析，確定失效類型和失效原因，以期為后期管線的安全運行和維護提供依據(jù)。

失效彎管所在管線埋于河床下，外覆保溫層和水泥保護層，管內(nèi)輸送介質(zhì)為天然氣，組分見表1，管線解堵作業(yè)時管內(nèi)流經(jīng)介質(zhì)為甲醇和污水。管內(nèi)溫度常年保持在10 ℃，運行壓力為5.5 MPa。

表1 天然氣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of the nature gas(mass fraction) %

1 形貌分析

1.1 宏觀形貌

由圖1可見：失效彎管總長1 230 mm，外壁60%區(qū)域存在黑色防腐蝕層，40%區(qū)域防腐蝕層已脫落。由圖2可見：未脫落的防腐蝕層與管體外壁已發(fā)生剝離。清除防腐蝕層后，彎管外壁存在黃褐色腐蝕產(chǎn)物，外壁外弧側(cè)存在橫向裂紋，見圖3。

對失效彎管進(jìn)行磁粉探傷，結(jié)果表明：失效彎管外弧側(cè)距焊縫385 mm位置存在1條環(huán)向裂紋，裂紋長度約為120 mm；最外側(cè)裂紋平直，距環(huán)向開裂部位245 mm處外弧側(cè)外壁存在多條環(huán)向微裂紋，見圖4。

圖1 失效彎管的宏觀形貌Fig. 1 Macro morphology of the failed bent pipe

圖2 彎管外壁防腐層剝離形貌Fig. 2 Peeling appearance of anti-corrosion layer on the outer wall of the bent pipe

圖3 清除防腐層后的彎管外壁形貌Fig. 3 The appearance of the outer wall of the bent pipe after removing the anti-corrosion layer

(a) 裂紋

(b) 微裂紋圖4 失效彎管的磁粉探傷結(jié)果Fig. 4 Magnetic particle inspection results of the failed bent pipe：(a) crack; (b) microcracks

打開圖4中的裂紋與微裂紋，并對裂紋形貌進(jìn)行觀察，見圖5和圖6。結(jié)果表明：裂紋呈人字紋花樣，屬脆性裂紋，根據(jù)人字紋的收斂方向可確定裂紋源在外壁，見圖5中標(biāo)記處。圖中黑色區(qū)域為原始微裂紋的斷面，深度為0.5 mm。

圖5 裂紋的宏觀形貌Fig. 5 Macro morphology of crack

圖6 微裂紋的宏觀形貌Fig. 6 Macro morphology of microcracks

1.2 彎管尺寸

測量了裂紋附近彎管段和遠(yuǎn)離裂紋直管段的壁厚，結(jié)果見表2。由表2可見：彎管段各象限壁厚偏差較大，外弧側(cè)壁厚最小，約為內(nèi)弧側(cè)壁厚的74%；直管段各象限壁厚偏差較小。彎管的壁厚減薄率為14.9%，不符合SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應(yīng)加熱彎管》的要求。

表2 彎管的壁厚測量結(jié)果Tab. 2 Wall thickness measurement results of bent pipe mm

2 理化檢驗

2.1 化學(xué)成分

依據(jù)GB/T 6479—2000《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，在彎管上取樣，用ARL-3460直讀光譜儀對其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。由表3可見：彎管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 彎管的化學(xué)成分Tab. 3 Chemical composition of the bent pipe %

2.2 力學(xué)性能

分別在彎管的內(nèi)弧側(cè)、中性面和外弧側(cè)取樣，進(jìn)行拉伸、沖擊和硬度試驗。熱煨彎管執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6479—2000《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》，彎頭執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5257—2012《油氣輸送用鋼制感應(yīng)加熱彎管》。

拉伸試驗采用縱向板狀試樣，標(biāo)距段寬度為19 mm，試驗溫度為室溫，結(jié)果見表4；維氏硬度試驗分別在彎管的外弧側(cè)、中性面和內(nèi)弧側(cè)取硬度塊，硬度塊高度20 mm，硬度試驗結(jié)果見表5；沖擊試驗采用縱向夏比沖擊試樣，尺寸為3.3 mm×10 mm×55 mm，沿壁厚方向開V型缺口，試驗溫度為21 ℃，結(jié)果見表6。

表4 拉伸試驗結(jié)果Tab. 4 Tensile test results of the bent pipe

由表4可知：彎管外弧側(cè)、中性面和內(nèi)弧側(cè)屈服強度均滿足要求，抗拉強度均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)上限要求，且外弧側(cè)抗拉強度最高，斷后伸長率均不滿足要求。由表5可知：彎管外弧側(cè)、中性面和內(nèi)弧側(cè)的內(nèi)外層維氏硬度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由表6可知：彎管內(nèi)弧側(cè)、中性面和外弧側(cè)沖擊吸收功均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；彎管外弧側(cè)的沖擊吸收功的平均值最高，中性面的沖擊吸收功平均值最低，且很不穩(wěn)定；中性面第2個和第3個試樣的沖擊吸收功相當(dāng)?shù)?，其沖擊斷口剪切面積均為0，全為脆性斷口，沖擊斷口的微觀特征為解理花樣，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(單個試樣斷口剪切面積≥40%)。

表5 硬度試驗結(jié)果(HV10)Tab. 5 Hardness test results of the bent pipe(HV10)

表6 沖擊試驗結(jié)果Tab. 6 Impact test results of the bent pipe

2.3 金相組織

在遠(yuǎn)離裂紋的直管段內(nèi)弧側(cè)、中性面和外弧側(cè)取樣，進(jìn)行顯微組織觀察和晶粒度評級。由圖7可知，直管段內(nèi)弧側(cè)、中性面和外弧側(cè)的組織均為鐵素體+珠光體，晶粒度均為9.0級。

(a) 內(nèi)弧側(cè)

(b) 中性面

在彎管段附近內(nèi)弧側(cè)、中性面和外弧側(cè)取樣，在金相顯微鏡下觀察其組織形貌。由圖8可見：彎曲段內(nèi)弧側(cè)、中性面、外弧側(cè)的組織均為馬氏體+少量貝氏體。依據(jù)GB/T 6479—2000《化肥用高壓無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)，16Mn母管的熱處理狀態(tài)為回火，金相組織應(yīng)為珠光體+鐵素體，而失效彎管的外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)母材金相組織存在大量馬氏體，這不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a) 內(nèi)弧側(cè)，外表面

(b) 內(nèi)弧側(cè)，內(nèi)表面

(c) 中性面，外表面

(d) 中性面，內(nèi)表面

(e) 外弧側(cè)，外表面

(f) 外弧側(cè)，內(nèi)表面

分別對彎曲段內(nèi)弧側(cè)、中性面和外弧側(cè)進(jìn)行晶粒度評級，結(jié)果表明，內(nèi)弧側(cè)晶粒度為7.5級，中性面晶粒度為7.0級，外弧側(cè)晶粒度為5.0級。因此，外弧側(cè)晶粒度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(≥6.0級)。

3 微觀形貌

在彎管外壁微裂紋區(qū)域取樣，采用金相顯微鏡觀察其形貌，發(fā)現(xiàn)外壁存在多條微裂紋，見圖9。由圖10 可見：微裂紋兩側(cè)組織均為馬氏體，外壁微裂紋呈分枝狀且以沿晶方式擴展；微裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象；微裂紋起源于微小腐蝕坑。

圖9 彎管外壁微裂紋形貌(100×)Fig. 9 Micro-crack morphology of the outer wall of the bent pipe (100×)

圖10 微裂紋區(qū)域的組織形貌(500×)Fig. 10 Microstructure at the area of microcracks (500×)

在微裂紋斷口上取樣，采用掃描電子顯微鏡觀察其斷口形貌，并對其進(jìn)行能譜分析。結(jié)果表明：斷口微觀形貌為沿晶特征，微裂紋表面覆蓋物主要含有O和Fe，同時含有少量Cl元素，見圖11。

由圖12和13可見：貫穿裂紋表面腐蝕產(chǎn)物主要含有O和Fe，還發(fā)現(xiàn)少量Cl元素，而管體外壁腐蝕產(chǎn)物中未發(fā)現(xiàn)Cl元素。

4 討論

4.1 熱煨彎工藝不合理是彎管開裂的主要原因

失效彎管外弧側(cè)、中性面、內(nèi)弧側(cè)的抗拉強度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)上限要求，斷后伸長率低于標(biāo)準(zhǔn)下限要求，沖擊吸收功均低于標(biāo)準(zhǔn)下限要求。這是因為外弧側(cè)、中性面、內(nèi)弧側(cè)的金相組織全為馬氏體，高硬度、低韌性的馬氏體是影響彎管綜合性能的主要因素，這些區(qū)域在承受較大外力的狀態(tài)下容易產(chǎn)生裂紋。據(jù)此可以推測該彎管的熱煨彎工藝是不合理的。

圖11 微裂紋斷口表面形貌及能譜分析結(jié)果Fig. 11 Fracture surface morphology and EDS results of microcracks

圖12 貫穿裂紋表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Fig. 12 EDS results of corrosion products running through the crack surface

圖13 管體外壁腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Fig. 13 EDS results of corrosion products on the surface of outer wall of bent pipe

失效彎管外壁微裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳和氧化現(xiàn)象，因此推測這些微裂紋不是在熱煨彎過程中或之前形成的，而是在服役過程中產(chǎn)生的。

失效彎管斷口紋路收斂于外弧側(cè)外壁，且外弧側(cè)外壁存在較多環(huán)向微裂紋，這些特征均表明裂紋起源于外弧側(cè)外壁。而該區(qū)域的組織為高硬度、低韌性的馬氏體，這為彎管的開裂提供了內(nèi)部組織條件。

4.2 高強度彎管在土壤中發(fā)生應(yīng)力腐蝕

宏觀分析可知，失效彎管外弧側(cè)多條微裂紋表面開裂呈多源特征，貫穿裂紋和微裂紋表面存在黑色腐蝕產(chǎn)物；金相分析可知，微裂紋擴展呈分枝狀，沿晶特征；微觀分析可知，裂紋斷口微觀形貌為沿晶特征，裂紋表面腐蝕產(chǎn)物中含有Cl元素。這些特征均符合應(yīng)力腐蝕開裂特征。

熱煨彎過程會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在熱煨彎過程中，彎管外弧側(cè)外壁承受的拉應(yīng)力最大，內(nèi)弧側(cè)外壁承受的壓應(yīng)力最大，其應(yīng)力分布如圖14所示。熱煨彎結(jié)束后未采取相應(yīng)的去應(yīng)力處理，會導(dǎo)致彎管存在較大的殘余應(yīng)力，而外弧側(cè)外壁存在較大的殘余拉應(yīng)力。該殘余拉應(yīng)力為彎管的應(yīng)力腐蝕開裂提供了載荷。

圖14 彎管在加工過程中的應(yīng)力分布Fig. 14 Stress distribution of bent pipe during processing

該彎管埋藏于河床附近，土壤含水量較大。彎管外壁防腐層已發(fā)生剝離，土壤中的水分通過剝離防腐層與管體之間的間隙，形成滯留水，滯留水中溶解了土壤中的鹽類，含有大量離子，為彎管電化學(xué)腐蝕提供了環(huán)境。清除防腐蝕層后，彎管外壁腐蝕較為嚴(yán)重，存在微小腐蝕坑，這些腐蝕坑底部存在應(yīng)力集中，在拉應(yīng)力和腐蝕的聯(lián)合作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。該彎管微裂紋表面腐蝕產(chǎn)物中含有Cl元素，而彎管外壁腐蝕產(chǎn)物中未發(fā)現(xiàn)Cl元素，這些特征表明彎管裂紋面存在Cl元素富集，這正是電化學(xué)反應(yīng)過程中Cl-由管外溶液向裂紋尖端擴散的證據(jù)。彎管外壁所處溶液中氧供應(yīng)較充分，形成大陰極；裂紋尖端為閉塞區(qū)，發(fā)生金屬溶解的陽極反應(yīng)，即小陽極。大陰極-小陽極使得裂紋尖端腐蝕溶解加快，拉應(yīng)力作用使得裂紋擴展，最終貫穿壁厚而導(dǎo)致管線泄漏。

失效彎管正常組織為鐵素體+珠光體，抗拉強度為490～675 MPa，在中性土壤和低應(yīng)力的條件下，敏感性較低，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能性幾乎為0；當(dāng)彎管組織中含有大量晶粒粗大的馬氏體，抗拉強度達(dá)到1 420 MPa，在含有Cl-的土壤環(huán)境中，應(yīng)力腐蝕敏感性較高，會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

綜上分析，可以推知該彎管開裂的主要原因為熱煨彎工藝不合理，導(dǎo)致彎管組織異常，含有大量粗大晶粒馬氏體；由于彎管外壁防腐層剝離，土壤中的水分接觸管體外壁，形成電化學(xué)腐蝕環(huán)境；在外加載荷和殘余應(yīng)力的聯(lián)合作用下，彎管外弧側(cè)外壁產(chǎn)生裂紋，并擴展貫穿壁厚，最終導(dǎo)致管線發(fā)生泄漏。

5 結(jié)論

(1)失效彎管的拉伸性能不滿足GB/T 6479-2000標(biāo)準(zhǔn)對16Mn鋼的要求，沖擊吸收功和維氏硬度不滿足SY/T 5257—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

(2)失效彎管組織異常(16Mn母管的熱處理狀態(tài)為回火，正常組織為珠光體+鐵素體)，外弧側(cè)、中性面和內(nèi)弧側(cè)全為馬氏體組織+少量貝氏體，外弧側(cè)晶粒粗大。

(3)彎管失效的機理為應(yīng)力腐蝕開裂，失效的主要原因為：熱煨彎工藝不合理，導(dǎo)致彎管組織異常，含有大量粗大晶粒馬氏體，導(dǎo)致材料強度和硬度過高；由于彎管外壁防腐層剝離，土壤中的水分接觸管體外壁，形成電化學(xué)腐蝕環(huán)境；在外加載荷和殘余應(yīng)力的聯(lián)合作用下，彎管外弧側(cè)外壁產(chǎn)生裂紋，并擴展貫穿壁厚，最終導(dǎo)致管線發(fā)生泄漏。