埋地天然氣管道三通的失效分析

常 樂，錢英豪，周鵬飛，丁 毅，董金善

(1.南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，江蘇南京 210009;2.江蘇省特種設(shè)備檢測研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215128)

0 引言

某高壓燃?xì)夤芫€定向穿越公路鋪設(shè)完工使用2年后，由于交通需要，在管道上方架設(shè)立交橋。立交橋基礎(chǔ)邊緣離三通設(shè)置處約0.5 m，管道上方距立交橋底部基礎(chǔ)約0.6 m，如圖1(a)所示。管道規(guī)格 ?168.3 mm ×6.4 mm，材質(zhì)20#鋼，設(shè)計壓力4.0 MPa，三通管件壁厚8 mm，材質(zhì) L290，熱處理狀態(tài)為回火。橋梁上方經(jīng)常有大型載重車輛通過，給管線施加了較大集中載荷，使用半年后三通發(fā)生斷裂失效。裂紋在直管段為環(huán)向裂紋，并沿著支管軸向發(fā)展，裂紋形貌如圖1(b)所示。為尋找三通斷裂原因，以便采取有效對策，避免今后類似事故的發(fā)生，對三通斷裂原因進(jìn)行了分析。

1 試驗試樣制備和試驗方法

圖1 斷裂三通宏觀照片

首先對三通的斷口進(jìn)行宏觀分析，然后對三通進(jìn)行線切割取樣。從三通裂紋源區(qū)進(jìn)行取樣，進(jìn)行微觀斷口分析;在裂紋源區(qū)附近取1個樣，進(jìn)行金相分析;在裂紋源區(qū)取3個樣，進(jìn)行拉伸性能試驗。

分別采用XJZ－1A型金相顯微鏡對微觀組織進(jìn)行分析，日本電子公司JSM－5610LV型掃描電鏡對斷口微觀形貌進(jìn)行觀察，德國布魯克公司Q8MAGELLAN型直讀光譜儀對三通材料成分進(jìn)行分析，WDW3100型微控電子萬能試驗機進(jìn)行拉伸性能測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀斷口分析

開裂三通著色探傷照片見圖2(a)，可以看出，直管段與支管段過渡區(qū)環(huán)向裂紋深度較大(滲透量大)，而支管段軸向裂紋深度較淺(滲透量小)，表明裂紋可能起源于直管段與支管段過渡區(qū)。同時還發(fā)現(xiàn)主裂紋并非連續(xù)擴(kuò)展，而是呈現(xiàn)多段階梯狀擴(kuò)展，二次裂紋豐富。由于疲勞斷裂一般只有一條主裂紋，且很少見到二次裂紋，因此可以初步排除該三通疲勞斷裂的可能性［1］。

三通原始宏觀斷口形貌見圖2(b)，可以清楚看出斷口表面有明顯的人字形花紋，根據(jù)人字方向可以判斷，裂紋是在三通直管段和支管段過渡區(qū)管道外表面形成，隨后沿著支管軸向擴(kuò)展，并同時向管道內(nèi)表面深度方向擴(kuò)展，直至穿透三通管壁導(dǎo)致天然氣泄漏。

圖2 斷裂三通斷口宏觀照片

2.2 微觀組織分析

圖3示出斷裂三通管裂紋附近金相組織為鐵素體與珠光體組織，并且鐵素體與珠光體都有大量的變形，有明顯的加工流線存在，表明三通在加工后未進(jìn)行正火或者再結(jié)晶退火處理［1－2］，三通管的脆性和韌性不能得到恢復(fù)，三通管內(nèi)部殘余加工應(yīng)力也無法得到消除，存在安全隱患。

圖3 開裂管線三通金相顯微組織照片

三通開裂方向平行于加工流線方向，裂紋與加工流線中珠光體分布平行。加工流線也稱流紋，在加工時，金屬的脆性雜質(zhì)被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布;塑性雜質(zhì)隨著金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布，這樣熱鍛后的金屬組織就具有一定的方向性。加工流線使金屬性能呈現(xiàn)異向性;沿著流線方向(縱向)強度、塑性較高，而垂直于流線方向(橫向)抗拉強度、塑性較低。

從圖3中還可以看出，二次裂紋也跟加工組織流線保持一致，可見三通管內(nèi)部的加工流線是導(dǎo)致三通管發(fā)生開裂的主要組織原因，而三通成型工藝不當(dāng)導(dǎo)致材料發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)變時效脆化是三通開裂的重要原因。

2.3 力學(xué)性能測試

在三通裂紋處截取試樣(見圖2(a))，分別進(jìn)行拉伸試驗。由于受到三通管尺寸和形狀限制，力學(xué)性能試樣取樣部位位于三通直管段和支管段結(jié)合部，該區(qū)域也是屬于裂紋延伸段范圍，應(yīng)具有較好的代表性;試樣取向為垂直于裂紋方向取樣，這樣才能較準(zhǔn)確地反映裂紋區(qū)材料強度和斷裂性質(zhì)。測得結(jié)果見表1。

表1 三通材料力學(xué)性能試驗結(jié)果

從表1可以看出，雖然三通管抗拉強度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但是塑性指標(biāo)(伸長率)嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，而且塑性也很不均勻，尤其2#試樣，伸長率僅為2.6%。同時，該三通管屈強比高達(dá)87%，安全塑性裕度也很有限，短暫過載沖擊即可能導(dǎo)致三通發(fā)生開裂。

2.4 微觀斷口掃描電鏡

圖4示出開裂三通的掃描電鏡(SEM)微觀斷口形貌圖。可以看出，三通管原始斷口具有典型的脆性準(zhǔn)解理斷口形貌，微觀斷口表面基本由河流花樣組成，僅存在少量韌性撕裂痕跡，表明該三通管局部存在很高的脆性。同時，微觀斷口形貌分析并未發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，表明該三通管斷裂并非疲勞斷裂，而是一次性(或有限次數(shù))脆性斷裂，斷裂周期很短，是由過載沖擊造成的。

圖4 三通管原始斷口SEM照片

3 結(jié)論和建議

(1)該三通屬于過載沖擊造成的脆性斷裂，裂紋源位于三通直管段和支管段過渡區(qū)管道上表面處(應(yīng)力集中處)，隨后沿著支管軸向擴(kuò)展，并同時向管道內(nèi)表面深度方向擴(kuò)展，直至穿透三通管壁導(dǎo)致天然氣泄漏。

(2)三通內(nèi)部的加工流線是導(dǎo)致三通發(fā)生開裂的主要組織原因;三通成型工藝不當(dāng)導(dǎo)致材料發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)變時效脆化是三通開裂的重要原因。

(3)由于該高壓燃?xì)夤艿郎戏骄嗔⒔粯虻撞炕A(chǔ)約0.6 m，最小覆土厚度不足，在設(shè)計載荷和車輛載荷作用下，三通上表面處產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，同時由于該三通管存在很高的脆性，故導(dǎo)致脆性斷裂，斷裂周期很短，系由過載沖擊造成。

(4)建議三通管在擠壓加工過程中應(yīng)嚴(yán)格保證正火熱處理狀態(tài)，然后進(jìn)行回火處理，否則加工完成后應(yīng)進(jìn)行正火或再結(jié)晶退火熱處理，以消除加工流線，恢復(fù)塑性和合適的屈強比，保證三通的正常使用壽命。

(5)該高壓燃?xì)夤艿郎戏骄嗔⒔粯虻撞炕A(chǔ)約0.6 m，不符合GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》［4］最小覆土厚度要求(不得小于 0.9 m)。建議該高壓燃?xì)夤艿劳庠黾犹坠鼙Ｗo(hù)或增加管道埋地深度，以減小車輛載荷的影響，確保管道的安全運行。

［1］褚武揚，喬利杰，陳奇志，等.斷裂與環(huán)境斷裂［M］.北京:科學(xué)出版社，2000:25－26.

［2］武宏，彭建洪，許云華，等.強烈冷拉塑性變形及退火處理對珠光體鋼組織性能的影響［J］.材料與熱加工，2007，36(16):13 －15.

［3］GB/T 9711.1—1997，石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件［S］.

［4］GB 50028—2006，城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范［S］.