某燃?xì)庹緢?chǎng)彎頭泄漏原因分析

許 彥，劉迎來，聶向暉，豐振軍，李 亮，李記科

(1.中國石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077； 2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101)

0 引言

城市燃?xì)獍ㄌ烊粴狻⒁夯蜌夂腿斯っ簹獾?，是一種可高效利用的清潔能源。發(fā)展城市燃?xì)?，?duì)于優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)，減輕城市大氣污染，實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。城市燃?xì)庹緢?chǎng)是長輸管道上完成向用戶供氣的重要一環(huán)，是燃?xì)廨敵龅闹匾獔?chǎng)所。與長輸管線相比，其存在管道及容器材質(zhì)種類多、規(guī)格復(fù)雜、管道及容器連接方式復(fù)雜等特點(diǎn)，且存在不同材質(zhì)、不等壁厚和結(jié)構(gòu)搭配有差異等特點(diǎn)[2-7]。就發(fā)生爆管事故的危害范圍來講，站場(chǎng)設(shè)施相對(duì)集中在一定空間范圍內(nèi)，發(fā)生爆管后相互間的威脅相對(duì)較大，危險(xiǎn)性更高[8-11]。某燃?xì)庠O(shè)施的設(shè)計(jì)壓力為9.45 MPa，當(dāng)施工單位進(jìn)行工藝管道系統(tǒng)水壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，壓力升至4.3 MPa穩(wěn)壓時(shí)，巡檢人員發(fā)現(xiàn)一處彎頭發(fā)生泄漏。該泄漏彎頭為?323.9 mm×17.48 mm的無縫彎頭，彎曲角度為45°，材質(zhì)為ASME A234 Gr.WPB，產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASME B16.9—2012《工廠制造的鍛鋼對(duì)焊管件》。

1 宏觀檢驗(yàn)

彎頭現(xiàn)場(chǎng)泄漏照片如圖1所示，泄漏點(diǎn)大致位于彎頭外弧側(cè)，向外噴射出一股細(xì)水柱。將泄漏彎頭整管切割下來、并打磨掉外表面油漆后，對(duì)其進(jìn)行裸眼檢查，其形貌見圖2，原泄漏位置存在一處明顯的裂紋帶，其裂紋沿彎頭軸向分布，位于彎頭外弧側(cè)和中性區(qū)之間，該裂紋帶軸向長度215 mm，寬度80 mm，裂紋中心距離彎頭中性區(qū)標(biāo)識(shí)上緣約155 mm，距離最近管端約130 mm。采用XXQ-2005型X射線探傷儀對(duì)泄漏彎頭進(jìn)行無損檢測(cè)，圖3為上述裂紋帶的射線檢測(cè)結(jié)果，該彎頭除以上裂紋帶處存在大量密集裂紋缺陷外，其他部位未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

圖1 彎頭現(xiàn)場(chǎng)泄漏照片

圖2 泄漏彎頭宏觀形貌

采用Smartzoom5超景深數(shù)碼顯微鏡對(duì)泄漏處裂紋進(jìn)行宏觀形貌觀察，結(jié)果見圖4，泄漏處外表面存在多條長短不同、沿彎頭軸向分布的平行裂紋，用酒精清洗內(nèi)表面后，發(fā)現(xiàn)泄漏位置的內(nèi)表面裂紋擴(kuò)展方向與外表面相同，應(yīng)為裂紋已貫穿整個(gè)彎頭壁厚方向，測(cè)得缺陷附近管體的壁厚為17.5 mm。

圖3 裂紋缺陷(射線檢測(cè))

(a)外表面

(b)內(nèi)表面

2 理化性能檢驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)該彎頭的彎曲段外弧側(cè)管體進(jìn)行化學(xué)成分分析、拉伸性能、夏比沖擊試驗(yàn)、布氏硬度試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)。所有理化檢驗(yàn)試樣均在彎管未開裂部位取樣。

2.1 化學(xué)成分分析

在遠(yuǎn)離缺陷位置管體上取化學(xué)成分分析試樣，采用ARL 4460直讀光譜儀，按ASTM A751-14a標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，其原材料化學(xué)成分符合ASME A234-14/ASME A234-15標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)該彎頭的彎曲段外弧側(cè)管體進(jìn)行拉伸性能、夏比沖擊試驗(yàn)、布氏硬度試驗(yàn)。其抗拉強(qiáng)度為483 MPa，屈服強(qiáng)度為315 MPa；布氏硬度值為138,140 HBW10/3000；試驗(yàn)溫度為0 ℃下管體夏比沖擊試驗(yàn)吸收能量最小值為45 J，平均值為46 J；以上結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 金相分析

遠(yuǎn)離缺陷位置管體組織見圖5，為鐵素體+珠光體，晶粒度為11.0級(jí)。垂直于裂紋擴(kuò)展方向截取不同橫截面金相試樣，采用MeF3A金相顯微鏡對(duì)裂紋形貌及周圍組織進(jìn)行觀察。圖6中T1裂紋起始于內(nèi)表面，由內(nèi)向外擴(kuò)展，貫穿整個(gè)壁厚，彎頭內(nèi)表面裂紋周圍組織變形特征十分明顯，而外表面裂紋周圍組織未見明顯變形現(xiàn)象，且主裂紋分叉較多。遠(yuǎn)離裂紋附近基體組織為鐵素體+珠光體，而靠近裂紋附近組織為脫碳的鐵素體組織，裂紋邊緣兩側(cè)及近非裂紋處基體中存在有暗灰色的物質(zhì)。圖7中T2試樣截面可見裂紋靠近內(nèi)表面張口較寬，存在于內(nèi)表面和心部之間，內(nèi)表面裂紋周圍組織變形和脫碳特征也較為明顯，裂紋主要沿晶界擴(kuò)展，二次裂紋較多。從不同橫截面金相試樣組織觀察結(jié)果，二者具有共同的特點(diǎn)，如圖6,7所示，裂紋在內(nèi)表面張開較大，在壁厚方向上，較粗的裂紋穿透整個(gè)壁厚，較細(xì)的裂紋止于內(nèi)表面，結(jié)合內(nèi)表面裂紋周圍組織變形，可知裂紋起源于彎頭內(nèi)表面，沿一定的角度向心部擴(kuò)展，部分裂紋貫穿了整個(gè)壁厚，形成泄漏通道。

圖5 遠(yuǎn)離缺陷處管體組織

圖6T1裂紋形貌及周圍組織

圖7 T2裂紋形貌及周圍組織

圖8 裂紋形貌

在OLS 4100激光共聚焦顯微鏡上對(duì)裂紋形貌及周圍組織進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖8。主裂紋沿晶開裂，兩側(cè)及尖端周圍有沿晶開裂的二次裂紋，裂紋周圍組織為脫碳的鐵素體，組織晶粒未見異常長大，部分裂紋間隙內(nèi)存在大量灰色鑲嵌物，并且裂紋附近基體晶界間存在大量灰色鑲嵌物，同時(shí)也存在著許多與裂紋無關(guān)的孤島狀灰色物質(zhì)。

2.4 掃描電鏡微觀形貌及能譜分析

采用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡及INCA 350能譜儀對(duì)裂紋及晶界間灰色鑲嵌物進(jìn)行形貌和能譜分析。對(duì)壁厚心部一處裂紋周圍基體及晶界間鑲嵌物進(jìn)行能譜線掃描分析，如圖9所示，其主要元素為鐵元素和氧元素，還有少量的錳元素，未見其他雜質(zhì)元素，另外，氧元素在晶界間鑲嵌物上分布的含量明顯高于基體，可知晶界間鑲嵌的灰色物質(zhì)為鐵的氧化物。

圖9 裂紋周圍基體及晶界間鑲嵌物能譜分析位置及譜圖

對(duì)近裂紋處基體內(nèi)存在的孤立分布的灰色鑲嵌物進(jìn)行能譜線掃描分析，結(jié)果如圖10所示，可知近裂紋處基體內(nèi)孤島狀灰色鑲嵌物主要為氧、鋁、鈣、鎂、鐵、硅等元素構(gòu)成，一般Ca來自于煉鋼過程中的脫硫、Al來自于脫氧、Mg來自于耐火材料，可斷定其為鋼坯澆注過程中卷入的爐渣。

將裂紋試樣沿裂紋擴(kuò)展方向剖開進(jìn)行分析，整個(gè)斷口覆蓋一層致密呈暗褐色產(chǎn)物，無金屬光澤，類似于經(jīng)歷過高溫熔融的痕跡，見圖11(a)所示。采用醋酸纖維酯多次處理去除褐色腐蝕產(chǎn)物后，斷口表面十分粗糙，有許多小裂紋，呈藍(lán)褐色，如圖11(b)所示。

圖10 近裂紋處基體內(nèi)孤島狀灰色鑲嵌物能譜分析位置及譜圖

(a)原始面 (b)清洗后

圖11 沿裂紋擴(kuò)展方向剖開的斷口宏觀形貌

采用掃描電鏡及能譜儀進(jìn)行分析。沿裂紋擴(kuò)展方向剖開的斷口上存在兩種典型形貌，源區(qū)呈典型的縮孔形貌，見圖12，其晶粒無明顯塑性變形，為自由態(tài)的樹枝晶和小空洞形貌，可知經(jīng)過熱軋等工序后材料未軋合，造成縮孔、疏松缺陷；靠近內(nèi)表面層斷口呈半熔化狀態(tài)的樹枝晶形貌。

圖12 裂紋源區(qū)形貌

3分析與討論

由宏觀形貌分析和無損探傷結(jié)果可知，彎頭泄漏處存在裂紋帶，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，彎頭的材質(zhì)和遠(yuǎn)離缺陷位置管體的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。金相分析結(jié)果表明遠(yuǎn)離缺陷位置管體的組織未見異常，其晶粒度為11.0級(jí)。從裂紋形貌及周圍組織的觀察可知，裂紋起源于彎頭內(nèi)表面，沿一定的角度向心部擴(kuò)展，部分裂紋貫穿整個(gè)壁厚，造成彎管泄漏。另外可知主裂紋沿晶開裂，兩側(cè)及尖端周圍有沿晶開裂二次裂紋，裂紋周圍組織脫碳，存在細(xì)小的再結(jié)晶，組織未見異常長大，裂紋間隙內(nèi)、其尖端未發(fā)生擴(kuò)展區(qū)及近裂紋處基體內(nèi)存在大量連續(xù)或孤立分布的灰色鑲嵌物。通過裂紋周圍基體及間隙鑲嵌物的能譜線掃描分析可知，裂紋間隙中鑲嵌的灰色物質(zhì)主要為鐵的氧化物，近裂紋處基體內(nèi)孤島狀灰色鑲嵌物主要為鐵、氧、錳、鎂、硫等元素構(gòu)成，可斷定其為鋼坯澆注過程中卷入的爐渣。并且裂紋附近基體上存在著與裂紋無關(guān)的、較大的團(tuán)塊狀鐵的氧化物，說明裂紋擴(kuò)展方向與管體材料中存在的鐵氧化物有關(guān)，部分鐵氧化物與裂紋有關(guān)，部分無關(guān)，據(jù)此可斷定該鐵氧化物是母管原有的，分布于晶界，屬于弱相。通過對(duì)剖、掰開裂紋面的觀察分析，發(fā)現(xiàn)裂紋面類似于經(jīng)歷過高溫熔融的痕跡，裂紋周圍組織脫碳，部分裂紋面為自由態(tài)的結(jié)晶面，部分裂紋面附著一層熔融態(tài)鐵的氧化物膜。

據(jù)文獻(xiàn)[12-19]，常用厚壁彎頭的制造按照成型方式一般可分為兩種，即感應(yīng)熱推制或熱擠壓，從其低倍和金相組織觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，泄漏彎頭外表面未看到有明顯塑性變形痕跡，而內(nèi)壁表面形變組織和流線十分清晰，結(jié)合工藝特點(diǎn)可知，此彎頭采用的成型方式應(yīng)為熱擠壓方式。在彎頭成型階段，加熱到相變點(diǎn)溫度以上的毛坯內(nèi)壁與彎頭芯棒強(qiáng)烈擠壓，致使位于毛坯內(nèi)表層疏松孔洞周圍金屬產(chǎn)生較大塑性變形，組織流變遺傳給了彎頭，而外表面因受模具的約束力相對(duì)內(nèi)壁較小，其變形相對(duì)要小得多，也就基本觀察不到其變形痕跡。同理，一旦采用未經(jīng)過必要的成型前鍛造的毛坯材料進(jìn)行熱擠壓彎頭生產(chǎn)，若毛坯管中攜帶有疏松缺陷，因疏松氣孔破壞了基體材料的連續(xù)性，氣孔處難免存在一定的應(yīng)力集中，其周圍金屬的形變能力就可能較正常原材料大大降低，在彎頭成型時(shí)局部產(chǎn)生較大的非均勻變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)^其屈服強(qiáng)度而發(fā)生斷裂，萌生裂紋并擴(kuò)展，這也是在低倍和金相組織觀察中，看到彎頭靠近內(nèi)壁層附近疏松組織中，氣孔缺陷附近小裂紋要多于管體外表層的緣故。

綜合以上信息可知，彎頭的原材料在冶煉過程中已存在鐵的氧化物，由沿裂紋擴(kuò)展方向剖開的斷口的自由態(tài)的樹枝晶和小空洞形貌可知，經(jīng)過熱軋等工序后材料未軋合，造成縮孔、疏松缺陷。該缺陷靠近彎頭外弧側(cè)，在彎頭成型過程中承受較大的拉應(yīng)力，同時(shí)，若原材料中存在氧化物夾渣，因其熔點(diǎn)通常低于基體，正常加熱工藝條件下，一般沿原材料奧氏體晶界分布的大型氧化物夾渣會(huì)因二次加熱發(fā)生部分軟化或熔化，當(dāng)缺陷處晶界的屈服強(qiáng)度低于基體屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致原材料沿晶開裂。在彎頭煨制成型中，以上因素的共同作用導(dǎo)致了材料沿缺陷處晶界開裂形成裂紋源，分別向彎頭內(nèi)外壁擴(kuò)展，雖未造成裂紋沿整個(gè)壁厚方向完全貫穿，但部分裂紋與外部環(huán)境相通，環(huán)境中的氧沿著裂紋通道滲入到鐵的晶界中，造成了裂紋周圍組織脫碳。當(dāng)工藝管道系統(tǒng)進(jìn)行水壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)壓力較小時(shí)，以上缺陷二次啟裂，當(dāng)裂紋穿透彎頭壁厚時(shí)，形成泄漏通道，發(fā)生早期泄漏。

4 結(jié)論

(1)彎頭中的疏松缺陷是造成彎頭開裂的主要原因。

(2)彎頭中的疏松缺陷起源于原材料在冶煉過程中存在的鐵的氧化物，因后續(xù)工藝未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)清除該缺陷，在彎頭成型過程裂紋缺陷惡化，因此在很小水壓強(qiáng)度試驗(yàn)壓力下裂紋起源于彎頭內(nèi)表面，主裂紋沿晶界間疏松缺陷向心部開裂擴(kuò)展，主裂紋兩側(cè)及尖端周圍有沿晶開裂二次裂紋，最終部分裂紋貫穿整個(gè)壁厚，發(fā)生泄漏事故。