某成品油管道環(huán)焊縫泄漏原因分析

劉奎榮， 任國琪， 王高峰， 張 皓

（1. 中國石油西南管道公司， 成都610041;2. 中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院， 西安710077）

1 失效概況

油氣管道輸送是石油和天然氣輸送的重要方式之一， 對于管道來說， 環(huán)焊縫是薄弱環(huán)節(jié)， 由于氣候條件不同、 管口組對的偏差、 焊工技術(shù)水平等因素的影響， 會造成管道環(huán)焊縫的質(zhì)量偏差， 若環(huán)焊縫存在焊接缺陷， 或焊接成形不良，就容易導致管道在環(huán)焊縫處失效， 造成人員、財產(chǎn)損失。

在對國內(nèi)蘭成渝管道K675+850 處進行內(nèi)檢測開挖驗證過程中， 發(fā)現(xiàn)彎管與直管段連接焊縫處存在輕微滲油， 該管道為Φ508 mm×7.9 mm 螺旋埋弧焊管， 材質(zhì)為L415， 設計壓力10 MPa， 輸送介質(zhì)為成品油， 常溫運行。 管道采用3PE 防腐， 彎管規(guī)格Φ508 mm×9.5 mm， 彎管角度24°， 管線運行17 年。 對該泄漏環(huán)焊縫進行切割更換， 并送至實驗室對環(huán)焊縫泄漏原因進行分析。 檢測分析項目包括管段宏觀檢測、 無損檢測、 理化性能檢測、 金相分析和斷口分析。

2 管材宏觀檢測

2.1 送樣管段概況

管段試樣如圖1 所示。 泄漏環(huán)焊縫距離直管段端口約100 cm， 環(huán)焊縫補口防腐層已去除，其他位置防腐層存在破損。

圖1 送樣管段實物照片

2.2 鋼管宏觀檢測

將鋼管外防腐層去除， 打磨浮銹后， 測量環(huán)焊縫余高、 錯邊、 焊縫寬度值， 焊縫外表面基本整齊均勻。 觀察焊縫內(nèi)表面、 管體內(nèi)表面及環(huán)焊縫位置， 基本呈均勻腐蝕形貌， 在內(nèi)表面12 點鐘部位存在較大的焊瘤， 如圖2 所示， 焊瘤環(huán)向長度90 mm， 最大高度8.2 mm， 比管壁自身厚度還大， 說明內(nèi)表面成形質(zhì)量差。

圖2 環(huán)焊縫12 點方位內(nèi)部焊瘤形貌

3 環(huán)焊縫無損檢測

依據(jù)SY/T 4109—2017 《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》， 對泄漏環(huán)焊縫進行磁粉檢測和X 射線檢測。 磁粉檢測發(fā)現(xiàn)， 泄漏環(huán)焊縫外表面裂紋長度為52 mm， 裂紋正好位于環(huán)焊縫內(nèi)表面焊瘤處， 如圖3 所示。 X 射線檢測發(fā)現(xiàn)，泄漏環(huán)焊縫12 點位置有一處超標缺陷， 顯示為裂紋缺陷， 長度82 mm， 評定等級為IV 級， 結(jié)果如圖4 所示。

圖3 泄漏環(huán)焊縫磁粉檢測結(jié)果

圖4 泄漏環(huán)焊縫射線檢測結(jié)果

4 環(huán)焊縫性能試驗

為了分析環(huán)焊縫性能， 依據(jù)GB/T 31032—2014 《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》， 在遠離失效部位和失效部位附近取樣進行拉伸、 夏比沖擊性能試驗， 并對環(huán)焊縫取樣分析金相組織情況。

4.1 拉伸性能試驗

采用UH-F500KNI 材料試驗機， 依據(jù)GB/T 228.1—2010， 對環(huán)焊縫0～3 點、 3～6 點、 6～9 點、9～0 點以及裂紋附近環(huán)焊縫進行拉伸性能試驗， 試樣形式為矩形試樣， 試驗結(jié)果見表1。 對照標準可知， 環(huán)焊縫各位置拉伸性能滿足標準要求。

表1 環(huán)焊縫拉伸性能試驗結(jié)果

4.2 夏比沖擊試驗

采用ZBC2752-B 型沖擊試驗機， 依據(jù)GB/T 229—2007， 對環(huán)焊縫0～3 點、 3～6 點焊縫中心、熱影響區(qū)進行夏比沖擊試驗， 試驗溫度與管體夏比沖擊試驗相同， 取0 ℃， 試驗結(jié)果見表2。 對比標準可知， 環(huán)焊縫夏比沖擊功值符合要求。

表2 環(huán)焊縫夏比沖擊性能試驗結(jié)果 J

4.3 金相分析

采用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡， 依據(jù)GB/T 13298—2015， 對環(huán)焊縫3 點、 6 點以及裂紋附近 （12 點附近） 環(huán)焊縫進行金相組織分析，由分析結(jié)果可知， 3 點、 6 點以及裂紋附近蓋面焊組織均為粒狀貝氏體， 打底焊組織均為珠光體+鐵素體+晶內(nèi)成核鐵素體， 填充焊組織均為珠光體+鐵素體+粒狀貝氏體， 裂紋附近環(huán)焊縫晶粒度與3 點、 6 點位置基本相同。

在失效裂紋附近環(huán)焊縫試樣中發(fā)現(xiàn)多處微裂紋， 微裂紋周邊存在脫碳現(xiàn)象。 微裂紋金相照片如圖5 所示。

圖5 失效裂紋附近微裂紋形貌

裂紋尖端金相照片如圖6 所示， 由失效裂紋尖端金相組織可見， 失效裂紋尖端及附近金相組織無異常， 裂紋斷裂形式為沿晶斷裂。

圖6 失效裂紋尖端金相組織

5 斷口分析

5.1 斷口宏觀形貌分析

對該成品油管道環(huán)焊縫泄漏處進行斷口分析， 發(fā)現(xiàn)泄漏部位位于環(huán)焊縫焊瘤位置， 對泄露位置斷口進行取樣觀察， 斷口宏觀形貌如圖7所示。 從圖7 所示泄露斷口及附近可見清晰焊接弧紋， 弧紋交匯位置正位于裂紋中心， 此處為焊接施工起弧、 收弧位置， 該位置存在較大焊瘤， 可能為焊接熱輸入過大或焊接停留時間過長導致。

圖7 泄露位置斷口宏觀形貌

5.2 斷口掃描電鏡分析

對失效樣管斷口附近裂紋的橫截面及斷口進行掃描電鏡分析， 分析結(jié)果如圖8 所示， 由圖8 可見， 裂紋起源于環(huán)焊縫內(nèi)表面焊趾根部， 沿焊趾根部向焊縫中心擴展， 由于泄露時間較長， 斷口表面腐蝕嚴重， 斷口表面已被致密黑色物質(zhì)覆蓋， 無法看出脆性斷裂或韌性斷裂特征。

圖8 斷口附近裂紋及斷口形貌

5.3 斷口能譜分析

分別對斷口表面夾雜物、 無夾雜斷口表面以及未打開斷口的裂紋剖面內(nèi)部進行能譜分析， 能譜分解結(jié)果表明， 斷口表面主要成分為C、 Fe、O， 為斷口長時間受成品油浸泡所致， 斷口無焊接藥皮夾雜成分。 具體能譜分析結(jié)果見圖9。

圖9 斷口能譜分析結(jié)果

5.4 結(jié)果分析

裂紋位于環(huán)焊縫12 點鐘焊接起弧、 收弧位置， 該位置環(huán)焊縫內(nèi)表面成形質(zhì)量差， 內(nèi)表面存在較大焊瘤， 裂紋與焊瘤位置高度重合。 金相觀察中還發(fā)現(xiàn)失效裂紋附近存在多處微裂紋， 微裂紋周邊存在脫碳現(xiàn)象。 由微裂紋形貌和裂紋周圍金相組織可知， 這些微裂紋為焊接熱裂紋。

焊接熱裂紋是焊接過程高溫階段產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象， 多在固相線附近發(fā)生， 其特征是沿奧氏體晶界開裂。 在焊接過程中， 材料的晶間延展性較弱， 無法承擔當時材料所發(fā)生的應變。 在這種固液共存的狀態(tài)下， 會萌生熱裂紋， 當溫度冷卻后，裂紋就會沿著結(jié)晶的交界處產(chǎn)生并擴展。 產(chǎn)生焊接熱裂紋的因素主要包括有害雜質(zhì)的影響（主要為S 和P） 和焊接工藝的影響 （例如熔合比、 焊接速度、 焊接線能量、 冷卻速度等）。 同時， 熱裂紋附近出現(xiàn)脫碳也表明該位置環(huán)焊縫焊接時焊接溫度過高， 或焊接時在該位置停留時間過長。

6 結(jié) 論

（1） 該成品油管道在環(huán)焊縫焊接過程中，起弧、 收弧位置停留時間過長導致該位置環(huán)焊縫焊接溫度過高， 焊縫融化下墜形成焊瘤。

（2） 該位置熔池過熱， 降低了焊縫金屬的抗裂性， 導致產(chǎn)生熱裂紋， 并伴隨脫碳， 使得環(huán)焊縫局部力學性能下降。

（3） 泄露原始裂紋應為焊接時在環(huán)焊縫內(nèi)表面焊趾根部產(chǎn)生的熱裂紋， 且該處存在較大的焊瘤， 導致該位置產(chǎn)生應力集中， 管線在長期內(nèi)外載荷共同作用下， 使得裂紋在該應力集中位置擴展， 最終導致泄漏失效。