X60M螺旋焊管泄露原因分析*

聶向暉1,徐 斌2,許 彥1,劉迎來1,李 亮1,豐振軍1

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院,西安710077;2.中國石油管道有限責任公司西氣東輸分公司,上海200120)

摘 要:為了查明某X60M螺旋焊管泄露原因,通過力學試驗、金相分析、掃描電鏡和能譜分析等手段,對該泄露管段進行了理化檢驗及失效分析。檢驗發現,該焊管內壁泄漏部位處存在組織異常、開裂及銅污染。經分析,鋼管泄露的主要原因是:在鋼管焊接過程中,由于操作不當,Cu電極與管體接觸,當兩者間接觸不良時,電阻增大,產生電弧,高溫電弧導致管體灼傷及Cu電極的熔化,從而使該部位發生開裂及Cu污染。

關鍵詞:螺旋焊管;X60M;泄露;裂紋;Cu污染

0 前 言

管材的內在缺陷是影響管道安全的重要因素之一,在管材生產、制造不同階段產生的缺陷有不同的特征。因此,分析缺陷特征、尋找缺陷的產生原因,并采取必要的質量保障措施,對于提高管材質量、確保管道運營安全具有重要意義。

某在建輸氣管道用X60M鋼級Φ508 mm×7.1 mm螺旋埋弧焊管,產品執行GB/T 9711—2011[1]標準。該管道現場敷設施焊完成后進行強度和嚴密性水壓試驗,在保壓過程中發現壓力下降,經巡查發現一處鋼管螺旋焊縫附近存在泄漏點。為查明管道泄漏原因,對該泄露管段進行了理化檢驗及失效分析。

1 泄露管段的宏觀檢查

泄漏鋼管為3LPE防腐管,鋼管未見明顯幾何變形,泄漏點距離管端約1 m。泄漏管段去除防腐涂層后的內、外壁表面如圖1所示。由圖1可見,鋼管外表面距螺旋焊縫中心約36 mm處有一星型開裂 (見圖1(a));對應部位鋼管內表面有明顯的灼傷痕跡,且沿管體縱向開裂 (見圖1(b))。

圖1 泄漏管段去除防腐涂層后內、外表面

鋼管內、外壁裂紋的宏觀形貌如圖2所示,其中外壁裂紋最大長度為21 mm,內壁裂紋長度為31 mm。鋼管內壁距裂紋約6 mm處存在一處凹坑,最大直徑為2.4 mm (見圖2(b)),采用超聲波測厚儀對其壁厚進行測量,測得凹坑處管體壁厚為5.9 mm,其他位置管體壁厚為7.1 mm。

圖2 泄漏鋼管內、外壁裂紋宏觀形貌

2 泄露管段理化檢驗

2.1 化學分析

在X60M鋼級Φ508 mm×7.1 mm泄漏管段管體上取樣,按照ASTM A751—2014標準要求對其進行化學分析,分析結果見表1。由表1可以看出,該泄漏管段管體的化學成分符合GB/T 9711—2011標準要求。

表1 X60M鋼級Φ508 mm×7.1 mm泄漏管段管體化學成分分析結果 %

項目w(C)w(S i)w(M n)w(P)w(S)w(C r)w(M o)w(N i)實測值0.0 8 5 0.2 3 1.3 8 0.0 1 1 0.0 0 2 6 0.0 2 9 0.0 0 2 2 0.0 1 6標準要求≤0.1 2≤0.4 5≤1.6 0≤0.0 2 5≤0.0 1 5≤0.5 0≤0.5 0≤0.5 0項目w(N b)w(V)w(T i)w(V+N b+T i)w(C u)w(B)w(A l)C E p c m實測值0.0 3 3 0.0 4 0.0 1 3 0.0 8 6 0.0 4 0.0 0 0 2 0.0 3 0.1 7標準要求≤0.1 5≤0.5 0≤0.2 5

2.2 力學試驗

在鋼管未泄漏部位管體及焊縫處取樣,試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm, 按照ASTM A370—2017標準進行拉伸、彎曲及-20℃夏比沖擊試驗,結果見表2和表3,結果表明該鋼管未泄漏部位的力學性能滿足GB/T 9711—2011標準要求。

表2 拉伸試驗及彎曲結果

項目位置屈服強度/M P a抗拉強度/M P a 屈強比斷后伸長率/%冷彎(d=5 a)實測值管體4 5 3 5 6 3 0.8 0 4 2.0完好焊縫6 3 3標準要求管體4 1 5~5 6 5 5 2 0~7 6 0≤0.9 3≥2 1.3焊縫≥5 2 0

表3 -20℃夏比沖擊試驗結果

注:夏比沖擊功已換算為10 mm×10 mm×55 mm試樣所對應的結果。

項目位置及方向夏比沖擊功/J 剪切面積/%單值均值單值均值管體橫向2 3 2、2 5 8、3 1 0 2 6 6 1 0 0、1 0 0、1 0 0 1 0 0實測值焊縫橫向1 9 2、2 2 0、1 7 8 1 9 6 1 0 0、1 0 0、1 0 0 1 0 0熱區橫向2 3 2、2 5 8、3 1 0 2 6 6 1 0 0、1 0 0、1 0 0 1 0 0標準要求管體≥2 0≥2 7≥8 5焊縫≥2 0≥2 7

圖3 未泄漏部位管體和焊縫的金相組織

2.3 金相分析

在未泄漏部位管體和焊縫處分別取樣,依據GB/T 13298—2015和GB/T 13299—1991等標準要求進行金相檢驗,顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出,其管體組織為塊狀鐵素體+珠光體,焊縫及熔合區有粒狀貝氏體存在,管體晶粒度11級,帶狀組織2級,金相檢驗結果未見異常。

為了進一步分析該鋼管泄漏處裂紋形成原因,在垂直于裂紋方向截取T1和T2兩個試樣,鋼管泄漏處取樣位置如圖4所示,T1和T2試樣表面低倍形貌如圖5所示。

圖4 鋼管泄漏處取樣位置

圖5 (a)中左下角的凹坑對應宏觀檢驗所發現的內壁凹坑,測得凹坑深度約1.2 mm。由圖5可見兩個截面靠內壁側均存在一半橢圓形紫黃色的顏色異常區域,最深處接近鋼管壁厚中心,其與鋼管正常基體界面處存在孔洞,裂紋起源于顏色異常區域,由內向外壁擴展。

T2試樣A、B兩處的金相照片如圖6所示。從圖6可以明顯看出,顏色異常區域與管體正常組織界面間隙明顯,且顏色異常區域內存在孔洞,外側管體裂紋附近晶界明顯氧化,為過燒組織。圖6(b)為外側管體裂紋附近處金相組織照片,可見該處部分晶界開裂,晶界間存在紫色異物。

圖5 T1和T2試樣表面低倍形貌

圖6 T2試樣截面金相組織

2.4 掃描電鏡及能譜分析

采用INCA 350能譜儀對T1試樣進行局部區域面掃描,結果如圖7所示,能譜分析 (EDS)結果見表4。由圖7和表4可見,外層區域主要為Fe、C、Mn等元素,而內層顏色異常區域主要為Fe、Cu、Mn等元素,其中Cu元素異常偏高。

圖7 T1試樣SEM形貌及能譜分析

表4 T1試樣能譜分析 (EDS)結果

質量百分比/%元素外層內層C K 3.6 6—M n K 1.8 3 0.6 6 F e K 9 4.5 1 8 6.6 3 C u K —1 2.7 1合計1 0 0.0 0 1 0 0.0 0

對圖6(b)中晶界間的紫色異物進行能譜分析,發現其主要組成元素為Cu和Fe,質量百分比分別為92.2%和7.8%,結果如圖8所示。

為了更好的了解Cu元素的分布情況,對T1和T2試樣進行背散射電子成像分析,結果如圖9所示。背散射電子成像的襯度是由于原子序數的不同而引起,因此可以清晰地分辨出Cu元素分布區域,其所在區域與金相觀察中所發現的橫截面異常區域相吻合,呈半橢圓形,并且背散射電子成像中內層異常區域的襯度較外層正常管體區域高,反映出該處Cu元素含量更高。

在鋼管泄漏處截取T3試樣 (見圖4中取樣位置),其開裂面的SEM形貌如圖10所示。由圖10可以看出,該斷面已明顯被高溫氧化。

對T3試樣內、外層區域進行能譜分析,結果見表5。由表5可以看出,斷裂面內、外層區域均 發現Cu元素存在,即裂紋區有Cu元素富集。

圖8 晶界間異物能譜分析結果

圖9 背散射電子成像形貌

圖10 T3試樣斷裂面形貌

表5 T3開裂面能譜分析 (EDS)結果

元素質量百分比/%內層外層C K 1 0.7 6 1 2.5 9 O K 3 1.0 2 2 2.4 2 M n K —1.1 8 F e K 4 1.3 7 4 6.2 9 C u K 1 6.8 5 1 7.5 2合計1 0 0.0 0 1 0 0.0 0

3 結果分析

依據產品標準對該鋼管正常部位取樣檢驗,鋼管的化學成分、拉伸試驗、夏比沖擊試驗、導向彎曲試驗和落錘撕裂試驗等結果均符合標準要求,鋼管管體的金相組織為多邊形鐵素體 (PF)+少量珠光體 (P),未見異常。

由宏觀檢查結果可知,泄漏處鋼管存在貫穿性裂紋,裂紋起源于鋼管內壁沿管體縱向分布,內壁開裂長度大于外壁,泄漏處管體未發現明顯變形。由SEM及EDS檢驗結果可以看出,裂紋開裂面明顯氧化,且有Cu元素的附著;裂紋附近晶粒粗大,晶界處有Cu元素的富集,質量百分比達到92.2%。

由金相檢驗及能譜分析結果可知,泄漏處鋼管內壁存在組織異常區域,不同于常規的管線鋼組織,其主要成分除Fe、Mn等組分外,還含有Cu元素。該區域呈半橢圓形,深度接近壁厚中心,其內部存在孔洞和凹坑,與其相鄰的管線鋼組織晶粒粗大,晶界明顯氧化,表現為高溫灼傷特征。

上述結果表明,Cu的影響及高溫灼傷是鋼管泄露的主要原因,鋼中適量的Cu能夠增加其抗大氣腐蝕的能力[2],但是由于Cu在熱加工中容易產生熱脆,因此管線鋼中一般要控制Cu的含量。從焊管的生產、運輸及現場施工過程來看,本次泄漏事故中管材的Cu應來自于鋼管的焊接環節,吊裝過程中形成銅污染一般不會出現高溫灼傷現象。在焊接過程中,若銅線纜或電極與鋼管直接接觸,當接觸不良時,它們之間的電阻急劇增大,產生電弧導致溫度升高,甚至燒傷電纜及管材,造成鋼管的銅污染[3]。因此,鋼管焊接電極一般采用鋼質卡鉗與鋼管連接,應避免銅與鋼管直接接觸。

從灼傷出現的位置來看,因在現場施工組對后,電極或線纜很難從內壁與鋼管接觸,其應產生于鋼管制管的焊接過程。在焊接過程中,銅線纜在內壁與鋼管接觸,當兩者接觸電阻過大時,在焊接大電流的作用下產生電弧,溫度急劇升高,鋼管內壁基體及銅線纜熔化,熔融的銅及鋼管基體在管內壁形成含銅量較高的多孔性異常組織,并且導致灼傷部分晶粒長大及晶界氧化,降低晶界結合強度。高溫下,若鋼管同時承受拉應力,當應力大于該溫度下鋼管的抗拉強度時,鋼管管體開裂,而對于已經氧化的晶界,由于其結合強度低,往往會成為裂紋擴展的擇優路徑[4]。相對于Fe來說,Cu為低熔點金屬,純Cu的熔點僅為1 083℃,銅合金的熔點更低,溫度越高其流動性越強,高溫下液體Cu沿管壁上的裂紋或開裂的晶界擴散,形成該部位Cu 的富集[5]

4 結論與建議

(1)泄漏管段未泄漏部位的化學成分、力學性能等指標滿足要求。

(2)發生泄漏的主要原因是在埋弧焊管制管焊接過程中Cu電極或線纜與鋼管內壁直接接觸,當電極或線纜接觸不良時,在焊接大電流作用下形成高溫,導致鋼管內壁的灼傷及Cu污染所致。

(3)在制管焊接及現場施工焊接中,鋼管應避免Cu、Sn等低熔點金屬污染,且應保證電極與鋼管間的良好接觸,避免高溫灼傷。

參考文獻:

[1]GB/T 9711—2011,石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管[S].

[2]于千.耐候鋼發展現狀及展望[J].鋼鐵研究學報,2007,19(11):1-4.

[3]張權明,遲淳,張勇.液體金屬致脆失效案例分析[J].物理測試,2008,26(6):51-53.

[4]王高峰,吳靜,聶向暉,等.L415M直縫埋弧焊管開裂原因分析[J].壓力容器,2016,33(7):58-62.

[5]王高峰,聶向暉,劉迎來,等.油氣輸送用管道銅脆開裂案例分析[J].石油管材與儀器,2017,3(1):59-63.

Cause Analysis of X60M Spiral Welded Pipe Leakage

NIE Xianghui1, XU Bin2, XU Yan1, LIU Yinglai1, LI Liang1,FENG Zhenjun1
1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xian 710077,China;2.West-East Gas Pipeline Company,PetroChina Pipeline Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China

Abstract:In order to find out the leaking cause of a certain X60M spiral welded pipe,physical and chemical examination and failure analysis were carried out for the leaking pipe section by means of mechanical test,metallographic analysis,scanning electron microscopy and energy spectrum analysis.It was found that there were abnormal cracks and copper contamination in the leaking part of the inner wall of the welded pipe.According to the analysis,the main reasons for the leakage of the steel pipe are as follows,during the welding of the steel pipe,due to improper operation,the Cu electrode is in contact with the pipe body.When the contact between the two is poor,the resistance becomes larger and an electric arc is generated.The high-temperature electric arc leads to the burning of the pipe body and the melting of the Cu electrode,which leads to the cracking of the part and Cu pollution.

Key words:spiral welded pipe;X60M;leakage;crack;Cu pollution

中圖分類號:TG142.13

文獻標識碼:A

DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.01.004

*基金項目:國家重點研發計劃項目“典型城市民生設施質量檢測與評價技術研究”(項目編號2018YFF0215003)。

作者簡介:聶向暉 (1972—),男,高級工程師,主要從事石油管材技術服務及失效分析工作。

收稿日期:2019-04-01

編輯:李紅麗

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