油田乙二醇加注管道三通開裂失效分析

孔令峰，秦振杰，張 挺，寧長春，李 蒙，張盈盈

1.塔里木油田油氣工程研究院，新疆庫爾勒 841000

2.長慶油田分公司第三采油廠，陜西延安 716000

3.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

1 工程概況

某油田處理站乙二醇加注管道三通出現(xiàn)刺漏，刺漏具體位置及外觀如圖1所示，發(fā)生刺漏的三通材質(zhì)為16Mn，管徑為DN50，介質(zhì)為乙二醇貧液（含水21%），運行溫度為45 ℃，壓力為10 MPa，流速為0.23 m/s。

圖1 三通及內(nèi)壁開裂部位照片

為確定管道三通開裂刺漏的原因，通過化學成分分析、金相組織分析、掃描電鏡等手段[1]，進行了三通腐蝕原因分析[2?3]，確定了開裂原因，指導了后續(xù)生產(chǎn)和管理，同時也確保了管道和站場的運行安全。

2 測試方法

2.1 失效樣品宏觀形貌分析

觀察失效樣品的腐蝕形態(tài)。

2.2 化學成分分析

從樣品本體及裂紋處取樣，用SPECTRO LABM11 直讀光譜儀對其進行化學成分分析，包括錳、碳、硅、硫、磷等主要元素和煉制時加入的用于脫氧之外的其他合金元素含量測試分析。

2.3 硬度測試

分別在管道三通的開裂刺漏位置及本體無任何缺陷區(qū)域取樣，利用布氏硬度計對試樣進行布氏硬度的測試。

2.4 金相組織分析

在三通主管未開裂部位和主管與支管交匯處的裂紋部位分別取橫向試樣和縱向試樣，經(jīng)過240#、500#、1 200#砂紙的打磨，再用2.5、1.5 μm 金剛石拋光劑拋光，然后用Observer A1m倒置金相顯微鏡對裂紋處和基體無任何缺陷處的金相顯微組織及非金屬夾雜物進行分析。

2.5 掃描電鏡分析

取裂紋區(qū)域斷口處基材，使用FEI Quanta 450 FEG FESEM 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線能譜分析（EDAX）進行外觀特征、微觀形態(tài)、組成等理化特征分析。

3 測試結(jié)果

3.1 宏觀形貌觀察

裂紋源位于三通本體近支管處。將失效三通沿縱向?qū)_剖開，對內(nèi)壁進行著色，觀察開裂三通管件及管件裂紋，其宏觀形貌如圖2所示。

圖2 管件裂紋位置及形貌

失效點位于三通主管和支管交匯處，在管件出口內(nèi)側(cè)表面發(fā)現(xiàn)一條較為明顯的裂紋，裂紋長度約3 cm，裂紋未穿透管壁，裂紋方向垂直于管件環(huán)向方向。在管件出口外側(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，外觀為一個刺漏針孔點。

3.2 化學成分分析

開裂部位及未開裂部位成分及含量測試結(jié)果見表1，將測試結(jié)果與NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》進行對比，發(fā)現(xiàn)兩個部位中的C 元素和S 元素含量稍微偏高，其余元素含量滿足標準要求。

表1 不同部位的不同元素的質(zhì)量分數(shù)單位：%

3.3 硬度測試

硬度測試結(jié)果見表2。

表2 硬度測試結(jié)果

GB/T 12459—2005 標準要求16Mn 鋼管件的硬度≤170 HB，從表2 可知，裂紋附近硬度偏高，不滿足標準要求，而基體硬度滿足標準要求。

3.4 金相組織分析

對裂紋處、裂紋附近和基體完好處的金相顯微組織及非金屬夾雜物進行分析。金相組織如圖3 所示，非金屬夾雜物如圖4所示。

圖3 金相組織

圖4 非金屬夾雜物

從圖3 和圖4 可以看出，在裂紋兩側(cè)及裂紋附近處，晶界上沿著晶面向晶內(nèi)有一些針狀析出，其間還存在著一些珠光體組織，這種結(jié)構(gòu)為魏氏體組織。具體測試分析結(jié)果見表3。

表3 金相組織分析結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，三通主管原始組織為鐵素體+珠光體，裂紋附近主要為魏氏體組織，裂紋兩側(cè)發(fā)現(xiàn)大量粒狀貝氏體+魏氏體組織，而且非金屬夾雜物含量較高，特別是A類夾雜物硫化物級別達到2 級粗系、D 類夾雜物氧化物級別達到1.5級細系。

魏氏體組織形成有兩個原因：一是熱處理溫度高，二是冷卻速度快。根據(jù)三通運行環(huán)境，管內(nèi)輸送介質(zhì)為乙二醇，輸送溫度為45 ℃，在運行過程中不存在引起三通組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的因素。

魏氏組織的形成，主要取決于其含碳量、冷卻速度和晶粒大小三個因素。在等溫冷卻時，魏氏組織具有一個上限溫度，高于此溫度，魏氏組織不能形成。含碳量越高，晶粒越細，其上限溫度也越低。在連續(xù)冷卻時，魏氏組織只能在一定的冷卻速度下形成，速度過快或是過慢都不會形成。速度慢時易形成網(wǎng)狀鐵素體，過快冷卻使碳原子來不及充分擴散阻止魏氏體的形成[4]。在正常的奧氏體晶粒度下，碳含量在0.15%～0.35%和較快的冷卻速度下會形成魏氏體組織。

根據(jù)魏氏體形成的條件，推測可能的原因為在初始焊接過程中，焊道附近的金屬經(jīng)受了強烈的焊接熱循環(huán)過程，產(chǎn)生了一系列的物理和化學變化，引起三通組織結(jié)構(gòu)的變化。

3.5 掃描電鏡

利用線切割設備，將裂紋整體切割并打開，使用掃描電鏡對斷面形貌進行微觀形貌檢測，裂紋源、裂紋源附近放射線及內(nèi)壁韌窩形貌照片如圖5～圖7所示。

圖5 裂紋源

從圖5 和圖6 可以看出，斷裂面上下兩部分能很好吻合，沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形；斷口宏觀形貌顯示斷口平齊，斷口干凈無附著物，邊緣剪切唇區(qū)域小，放射性明顯且較為粗大。通常棱線的收斂方向指向斷裂源所在的部位，因此發(fā)現(xiàn)起裂源位于外壁表面0.1 mm。從圖7 的斷口顯微組織可以看出，斷口裂紋源區(qū)呈沿晶斷裂。金屬的沿晶斷裂歸入脆性斷裂失效范疇，因此該斷口為脆性斷裂。同時結(jié)合金相組織和成分分析，在裂紋兩側(cè)有硫化物和碳化物夾雜，弱化了材料的性能，碳化物較脆且分布在晶界，因此優(yōu)先沿晶界斷裂[5]。

圖6 裂紋源附近放射線

圖7 內(nèi)壁韌窩形貌

4 腐蝕原因分析

對裂紋宏觀和微觀分析結(jié)果表明，三通管件出現(xiàn)裂紋與材料本身的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

化學成分分析表明，材料中C 和S 元素偏高；裂紋附近硬度接近180 HB，超過了GB/T 12459—2005 對16Mn 鋼管件的布氏硬度≤170 HB 的規(guī)定要求。材料的硬度與其顯微組織有關(guān)，經(jīng)分析三通管件裂紋處的顯微組織為粒狀貝氏體和魏氏組織；粒狀貝氏體和魏氏組織使三通的硬度增加，力學性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低。三通輸送的介質(zhì)為乙二醇貧液（含水21%），運行壓力10 MPa，內(nèi)壁承受了一定的應力，外界壓力增加了三通缺陷處開裂的敏感性。

失效管件S 元素含量超出標準規(guī)定范圍，尤其是外壁A類（硫化物）非金屬夾雜物較多，同時伴有D類氧化物存在，破壞金屬的連續(xù)性，導致應力集中，在三通主管與支管交匯處的外壁產(chǎn)生裂紋源，由于整個壁厚都存在魏氏體組織，使得三通韌性下降、脆性增加，隨著使用時間的增加裂紋不斷向內(nèi)壁擴展，最終貫穿整個壁厚，結(jié)合宏觀觀察，整個面斷口平齊，符合脆性斷口特征。

5 結(jié)束語

三通管件產(chǎn)生魏氏組織的原因主要是現(xiàn)場安裝過程中支管焊接部位較接近三通裂紋部位，焊接過程中，由于焊接溫度過高，熱量快速傳遞到頸部，頸部溫度過高，引起相變產(chǎn)生魏氏組織。在焊接安裝之前，建議進行焊接工藝評定，工藝評定中需要對頸部取樣進行顯微組織檢查，要求焊接部位及周圍組織不產(chǎn)生魏氏體組織。