天然氣管道螺旋縫附近內(nèi)部凹坑缺陷分析與評價(jià)

李強(qiáng)林 楊 濤 劉 妍 馬曉宇

（山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

通過管道內(nèi)檢測技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道本體存在的缺陷，例如腐蝕、裂紋、凹坑以及機(jī)械損傷等[1]。除對管道缺陷除進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證、及時(shí)修復(fù)外，開展進(jìn)一步的檢測分析與驗(yàn)證評價(jià)對管道建設(shè)及后期管理運(yùn)營十分必要[1,2]。

某天然氣管道于2007年建成投產(chǎn)，為螺旋縫埋弧焊鋼管，管線規(guī)格φ273×6.4-7.1mm，管道材質(zhì)L290，設(shè)計(jì)壓力6.4MPa。輸氣干線采用“三層PE外防腐層+強(qiáng)制電流陰極保護(hù)”的聯(lián)合保護(hù)方式。該管道于2018年進(jìn)行了內(nèi)檢測，開挖驗(yàn)證25處，其中17處屬于管道螺旋焊縫附近的內(nèi)部金屬損失，內(nèi)部缺陷情況具有一定的相似性。為充分了解缺陷成因，從理化性能、晶體結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力等方面開展了相關(guān)研究和分析。

1 研究技術(shù)路線

利用顯微放大（SEM）、腐蝕產(chǎn)物測試、金相檢測、納米壓痕等多種技術(shù)手段對管道失效原因進(jìn)行分析[3-5]，研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線

2 缺陷理化性能分析

2.1 缺陷形貌檢測

為明確管道缺陷形貌特征，判斷缺陷形式，對管道缺陷位置進(jìn)行肉眼和低倍顯微形貌觀察。對失效管道缺陷位置做出標(biāo)識后，進(jìn)行切割處理，如圖2所示，通過肉眼及體式顯微鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在管道內(nèi)壁螺旋焊縫附近有明顯凹坑，凹坑與螺旋焊縫距離10～40mm，凹坑直徑約為10mm，深度約為1mm，管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物較少，如圖3所示。

圖2 失效管道缺陷位置切割圖

圖6 2#管道缺陷外壁龜裂形貌圖

圖7 2#管道母材、焊縫、熱影響區(qū)金相組織微觀形貌（200X）

表2 金相檢測結(jié)果

為確定管道缺陷成因，分別對四段失效管道典型缺陷位置和未變形位置進(jìn)行金相檢測， 試樣規(guī)格為10×5mm×全厚度。由金相檢測結(jié)果可知：管道缺陷位置和未變形位置的金相組織均為“鐵素體+珠光體”；缺陷位置心部、外壁和未變形位置內(nèi)壁的金相組織晶粒均勻規(guī)則，而缺陷位置內(nèi)壁處的鐵素體晶粒發(fā)生明顯變形。與缺陷位置心部、外壁和未變形位置內(nèi)壁的晶粒相比，缺陷位置內(nèi)壁處的鐵素體晶粒從塊狀變形為條狀，且變形方向與凹坑位置方向同向，表明凹坑位置內(nèi)壁處發(fā)生了塑性變形，可能是管段材料在加工或使用過程中受外界應(yīng)力影響所致[9,10]，如圖8所示。

圖8 1#～4#管道缺陷位置內(nèi)壁金相組織微觀形貌（1000X）

2.4 納米壓痕檢測

管道所用鋼板在生產(chǎn)過程中的塑性變形、熱變形和相變作用，導(dǎo)致成品鋼板中存在殘余應(yīng)力。由金相檢測分析可知，失效管道缺陷位置可能受外界應(yīng)力影響發(fā)生變形，因此對失效管道進(jìn)行納米壓痕測試，以驗(yàn)證缺陷位置是否存在殘余應(yīng)力[11-15]。試驗(yàn)儀器為Anton-Paar納米壓痕試驗(yàn)機(jī)，試樣取樣位置為四段失效管道典型缺陷截面位置，如圖9所示，依據(jù)測試結(jié)果對各區(qū)域內(nèi)硬度與彈性模量的差異性進(jìn)行分析。表3為四段管道缺陷位置硬度值和彈性模量值。

表3 納米壓痕硬度、彈性模量測試值表

圖9 納米壓痕測試截面示意圖

金屬材料的變形源于高應(yīng)力集中部位，管道基體的彈性模量（H）和硬度（E）的比值越大，越容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和高應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致基體的形變[16,17]。1#～4#缺陷截面試樣的彈性模量與硬度的比值（H/E）如圖10所示。

圖10 缺陷截面試樣比值分布圖

由圖10可知：（1）缺陷位置內(nèi)壁處比值最大；（2）沿內(nèi)壁繼續(xù)向管道心部比值逐漸減??；（3）當(dāng)?shù)竭_(dá)外壁時(shí)比值又開始上升，但遠(yuǎn)小于內(nèi)壁的比值。上述規(guī)律表明：在管道缺陷位置內(nèi)壁處的殘余應(yīng)力最大，越靠近心部殘余應(yīng)力越小，而外壁處殘余應(yīng)力值增加但遠(yuǎn)小于內(nèi)壁殘余應(yīng)力值。2#管段凹坑缺陷處內(nèi)外表面出現(xiàn)了龜裂，應(yīng)力得到了釋放，H/E數(shù)值最小，殘余應(yīng)力數(shù)值最小[18-20]。因此，管道缺陷位置由于受到外界應(yīng)力的影響，且內(nèi)壁受力遠(yuǎn)大于外壁，導(dǎo)致管道內(nèi)壁出現(xiàn)凹坑缺陷。

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié)論

（1）管道缺陷位置發(fā)生形變是出現(xiàn)凹坑和殘余應(yīng)力的主要原因。結(jié)合缺陷處金相組織變形情況和納米壓痕檢測結(jié)果，判斷可能是在制管過程中，由生產(chǎn)線上的異物造成的壓坑。外力擠壓造成管道內(nèi)壁焊縫附近發(fā)生了塑性變形，金相組織鐵素體從塊狀變成條狀，缺陷附近產(chǎn)生了殘余應(yīng)力；

（2）由EDS腐蝕產(chǎn)物檢測分析可知，失效管道缺陷位置內(nèi)壁存在腐蝕，腐蝕產(chǎn)物均以鐵的氧化物為主，腐蝕類型為典型的氧腐蝕，管道內(nèi)輸送LNG氣化后的天然氣，說明管道內(nèi)運(yùn)行介質(zhì)對管壁無明顯影響；

（3）失效管段母材金相顯微組織以鐵素體+珠光體為主；焊材基體組織以針狀鐵素體和細(xì)片狀珠光體組成，并伴有少量粒狀貝氏體；熱影響區(qū)基體組織以塊狀鐵素體和少量細(xì)片狀珠光體組成，并伴有大量粒狀貝氏體。焊接區(qū)域內(nèi)未出現(xiàn)焊接缺陷形貌。說明管道的缺陷與焊接無關(guān)。

3.2 控制措施與建議

基于上述檢測結(jié)果和失效原因分析，分別從現(xiàn)場排查和檢測等多角度提出相應(yīng)的控制措施和建議。

（1）對管道進(jìn)行全面排查，確定凹坑缺陷是否為管道全段存在的普遍現(xiàn)象，對已知螺旋焊縫處凹坑缺陷定期檢測，判斷缺陷是否進(jìn)一步發(fā)展；

（2）對管線整條生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)排查，明確管線生產(chǎn)工藝是否存在疏漏。同時(shí)嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝參數(shù)和制造過程，從根本上消除生產(chǎn)工藝不足帶來的問題；

（3）通過現(xiàn)場開挖驗(yàn)證可知，漏磁內(nèi)檢測技術(shù)對焊縫處凹坑缺陷識別存在一定偏差，需對評價(jià)方法進(jìn)行完善。