Cu污染造成的感應加熱彎管裂紋分析

張亞鋒楊社民王耀光,3王增輝時　斌李　黎

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100010；2.中國石油東南亞管道有限公司，北京100028；3.中國石油集團公司石油管工程技術研究院，西安710077）

駐廠監造人員在某防腐廠進行某海底管線項目監造時，發現X70級φ762 mm×31.8 mm彎管噴砂后外弧側有裂紋，開裂面積約20 mm×20 mm。隨后業主和工廠將此彎管送檢國內權威機構進行失效分析。

1　彎管裂紋原因分析

1.1　彎管生產情況

彎管編號4#，所用母管為X70級φ762 mm×31.8 mm直縫埋弧焊管。生產前對母管進行外觀和理化性能檢驗[1]，合格后吊裝到彎管生產設備上，通過一個旋轉直徑為5D（D為管徑）的懸臂引導，母管尾部以0.3～0.6 mm/s的速度勻速推進。母管先通過感應加熱線圈加熱后，再進行彎曲加工，加熱功率為1 000 kW，溫度控制在（1 000±15）℃。 母管彎曲后用 0.02～0.04 MPa壓力的鹽水迅速冷卻，煨制合格的彎管在加熱爐中進行熱處理。熱處理溫度為（500±20）℃，升溫速度200℃/h，保溫時間90 min。待應力釋放后再進行無損檢驗及尺寸檢驗。

1.2　宏觀分析

裂紋區域位于彎管外弧側弧頂區，如圖1所示。10#為裂紋取樣位置，開裂區域的宏觀形貌如圖2所示，裂紋區域軸向長度為19 mm，周向長度為25 mm，裂紋開口垂直于軸向，沿周向斷續開裂。裂紋最大深度為9.2 mm，如圖3所示。

圖1　裂紋位置及取樣位置示意圖

圖2　開裂區域宏觀形貌

圖3　裂紋截面宏觀形貌

1.3　化學成分分析

在裂紋區域附近取母材試樣，采用Baird Spectrovac2000直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。可以看出，化學成分符合《Specification For Longitudinal Seam Submerged Arc Welded Line Pipe（NHDW-SPC-SPG-ST-0002）》要求。

1.4　微觀組織分析

對所取試樣進行微觀組織[2]和裂紋形貌分析，組織[3]和晶粒度檢測結果見表2。

不同試樣的組織形貌如圖4所示。由圖可見，彎管彎曲區域外弧側、中部和內弧側晶粒度分別為7.5級，9.0級和10.0級。在外表面附近大多是以粒狀貝氏體為主，其余為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體。

表1　X70級φ762 mm×31.8 mm感應加熱彎管化學成分分析結果　%

表2　組織、晶粒度檢測分析結果

1.5　金相分析

10#試樣表面裂紋截面宏觀形貌如圖5所示。由圖可見，截面上分布著左、中、右3條裂紋，且均由外表面處起裂向內擴展。其中左側裂紋和右側裂紋最明顯，稱為主裂紋，裂紋中部間斷并出現較長的二次裂紋。中間裂紋較細，在25倍放大鏡下宏觀觀察清楚可見。

裂紋位于試樣外表面，裂紋內及裂紋尖端處均發現黃色金屬物質存在，如圖6和圖7所示，裂紋主要呈沿晶擴展特征。同時，在試樣裂紋附近也發現有黃色金屬物質存在，該物質的擴展路徑呈沿晶特征。

1.6　掃描電鏡與能譜分析

裂紋處的能譜分析結果見表3，SEM掃描電鏡形貌和EDS能譜如圖8所示，由表3和圖8可以明顯看出，裂紋處金屬物質是Cu。

圖4　不同試樣的組織形貌

圖5　10#試樣表面裂紋截面宏觀形貌

圖6　左側裂紋內金屬物質

圖7　左側裂紋尖端金屬物質

表3　彎管裂紋處能譜分析結果

圖8　裂紋處的SEM掃描電鏡形貌和EDS能譜圖

2　形成原因分析

（1）從表1化學成分分析的情況看，母材中w（Cu）=0.14%，低于標準要求的0.35%，所以可排除母材本身Cu含量高的可能。

（2）通過金相組織可以看到，試樣表面存在裂紋，裂紋內及裂紋尖端發現黃色金屬物質，裂紋擴展主要呈沿晶特征；試樣裂紋附近表面也發現黃色金屬物質，該物質的擴展路徑也呈沿晶特征。通過掃描電鏡分析，發現裂紋內有大量Cu存在，所以Cu應該來自彎管外界。

（3）熱煨彎管加工過程中，感應線圈加熱母管的溫度在1 000℃左右，母管局部受到高溫變軟，母管尾部施加推力，在懸臂的牽引下逐步變彎，同時用0.02～0.04 MPa的鹽水進行淬火處理，文獻[4]表明，X70控軋鋼經淬火處理后，其金相組織發生很大的變化，淬鹽水后母材組織由原來的針狀鐵素體轉變為貝氏體+少量塊狀鐵素體，后期通過熱處理消除殘余應力，能使彎管達到很好的力學性能。在煨制過程中，加熱溫度會有一定的波動，外弧側溫度會高于Cu的熔點1 083℃，文獻[5]表明，隨著Fe的選擇性氧化，Cu在基體—氧化層之間形成Cu的富集[6]，形成液態富Cu相，液態富Cu相會沿著粒狀貝氏體滲透產生裂紋，而在彎曲過程中外弧側受到較大的拉應力，也進一步促進裂紋的產生和擴張[7]。

3　預防措施

（1）《油氣管道工程感應加熱彎管通用技術條件》中5.1.3明確規定:彎管用鋼管表面應無油污。鋼管在制造、搬運、裝卸過程中不允許與低熔點金屬（Cu，Zn，Sn和Pb等）接觸，否則應采用適當的方法（如噴砂）清除。

（2）彎管生產前對母管進行仔細檢查是很有必要的，對于銹蝕嚴重的母管最好能進行噴砂處理，以免造成彎管不合格。

4　結語

通過分析發現外來Cu污染是造成彎管外弧側開裂的主要原因，因此，母管在制造、搬運、裝卸過程中應避免與低熔點金屬（Cu，Zn，Sn和Pb等）接觸，否則易造成彎管裂紋的出現。

參考文獻：

［1］王高峰，王曉江，梅斌，等.X70螺旋縫焊管焊縫橫向裂紋分析［J］.焊管，2013，36（03）:39-44.

［2］趙亞娟.針狀鐵素體型管線鋼的顯微組織分析［J］.南鋼科技與管理，2007（04）:7-9.

［3］喬寧.加熱溫度對管線鋼性能和組織的影響［J］.中國高新技術企業，2007（10）:64-67.

［4］楊才福，蘇航，李麗，等.Cu、Ni在含銅時效鋼表面的氧化層中的富集［J］.鋼鐵，2007，42（04）:57-60.

［5］曹敏，劉迎來，高西林.X70管線鋼彎管感應加熱淬火性能研究［J］.西安工程科技學院學報，2005，19（04）:446-448.

［6］耿明山，王新華，張炯明.鋼中殘余元素在連鑄坯和熱軋板中的富集行為［J］.北京科技大學學報，2009（03）:26-31.

［7］曹曉燕，李天雷，羅光文.熱煨彎管產生裂紋的原因分析［J］.天然氣與石油，2011，29（01）：59-62.