天然氣輸送管道用L360鋼HFW焊管失效分析

王 鵬,池 強，劉迎來,吉玲康，楊 放

（中國石油集團石油管工程技術研究院,西安710077）

天然氣輸送管道用L360鋼HFW焊管失效分析

王 鵬,池 強，劉迎來,吉玲康，楊 放

（中國石油集團石油管工程技術研究院,西安710077）

某天然氣輸送管道工程項目現場試壓作業過程中，當管道內壓上升至3.6 MPa時，發現試壓段L360鋼φ406.4 mm×7.1 mm規格HFW管道存在泄漏現象。針對這一現象，利用化學分析、力學性能檢測、宏觀及掃描電鏡顯微分析等試驗方法，對現場輸送管道用HFW鋼管焊縫處開裂的原因進行了分析。試驗結果顯示，該管體曾經過補焊，補焊組織中存在粗大的魏氏組織和馬氏體組織，補焊金屬與管體母材之間存在密集夾雜物。結果表明，管體補焊過程熱輸入較大、管體表面補焊工藝質量欠佳是導致管道打壓泄漏的主要原因。

焊管；HFW鋼管；開裂；補焊

1 失效管道概況

管道輸送是石油天然氣最高效、最安全的運輸方式，HFW焊管是常用的輸送載體之一[1]。某天然氣輸送管道工程項目現場試壓作業過程中，當管道內壓上升至3.6 MPa時，發現試壓段管道可能存在泄漏現象。經檢查發現全長12 m的L360鋼φ406.4 mm×7.1 mm規格HFW鋼管焊縫處出現開裂。筆者對發生開裂的HFW鋼管進行了理化檢驗與分析，以確定開裂失效原因，防止類似事故重復發生。

2 管道失效分析

2.1 宏觀形貌

泄漏鋼管試樣共為兩部分，一部分為開裂焊縫處試樣（1#試樣），另一部分為從該根鋼管未開裂處取6.5m長的鋼管段（2#試樣），泄露鋼管管體宏觀形貌如圖1所示，內壁宏觀形貌如圖2所示。2#試樣鋼管曾返廠加熱至200℃左右去除了PE防腐層。對失效鋼管裂紋處和管體進行尺寸測量，管體壁厚為6.54mm，靠近裂紋處壁厚為6.07mm。

圖1 泄漏鋼管管體宏觀形貌

圖2 泄漏鋼管管體內壁宏觀形貌

2.2 組織分析

圖3 鋼管管體組織形貌

圖4 管體內表面凹坑及周圍變形組織形貌

從管體刺穿孔、遠離管體刺孔的管體及內壁凹坑處分別取金相試樣進行組織分析，金相分析依據GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》[2]在MeF3A型金相顯微鏡上進行，夾雜物分析及晶粒度評定試驗分別按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定－標準評級圖顯微檢驗法》[3]和GB/T6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》[4]進行。結果表明，鋼管管體金相組織為珠光體加鐵素體，其形貌如圖3所示。管體內壁凹坑及周圍變形組織如圖4所示，與管體基體相同，也為珠光體加鐵素體，凹坑處組織存在明顯的流線變形，且坑內局部腐蝕特征不明顯，這說明管體內壁圓形凹坑屬于表面機械壓坑。管體刺孔處金相組織如圖5所示，對管體刺穿孔試樣進行觀察，發現刺孔處曾經補焊過，刺孔邊緣沖蝕后殘留補焊熔敷金屬與管體之間夾雜缺陷清晰可見（圖5（a））；靠近刺孔周圍有補焊特征，其細晶區、 粗晶區及熔合區形貌見圖5（b）和圖5（c）；刺孔邊緣魚鱗狀試樣組織為粒狀貝氏體+魏氏組織鐵素體+珠光體+少量馬氏體的焊態組織，其形貌見圖5（d）。上述光學金相觀察結果表明，管體刺孔處原組織為焊態的熔敷金屬，所送試樣的該區域熔敷金屬大部分已被沖蝕掉。沿管體軸向剖開刺孔洞，其形貌如圖6所示，管體刺孔內壁表面較為平滑，呈典型的沖刷腐蝕形貌。

2.3 理化性能試驗

2.3.1 化學分析

采用ARL 4460直讀光譜儀，在鋼管距焊縫90°位置取樣，依據GB/T 4336—2007《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法》[5]對鋼管管體進行化學成分分析，分析結果見表1。

2.3.2 拉伸性能試驗

圖5 管體刺孔處金相組織

圖6 管體刺孔處形貌

表1 失效鋼管化學成分 %

采用UH－F500KNI型拉伸試驗機，依據GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[6]對鋼管管段試樣進行拉伸性能測試。拉伸試樣沿鋼管管體距焊縫90°處取橫向全壁厚板狀試樣，試樣尺寸38.1 mm×50 mm。拉伸試驗結果見表2。

表2 失效鋼管拉伸試驗結果

2.3.3 夏比沖擊試驗

從鋼管試樣上，以管體壁厚中心為試樣中心線，沿鋼管管體距焊縫90°處縱向取5mm×10mm×55 mm的V形缺口夏比沖擊試樣，在JBN－500型試驗設備上，按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[7]，0℃條件下進行沖擊試驗，結果見表3。

表3 試樣0℃下夏比沖擊性能試驗結果

2.3.4 硬度試驗

在送檢的鋼管管體取硬度試樣，試樣位置為距焊縫90°處，按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分 試驗方法》[8]要求進行10 kg載荷維氏硬度試驗，硬度計型號為HSV－20，試驗位置如圖7所示，試驗結果見表4。

圖7 管體硬度（HV10）檢測位置分布圖

表4 管體母材硬度測試結果

對管體刺孔處和具有補焊特征的區域進行顯微硬度檢測，硬度檢測結果見表5。靠近刺孔內壁未被沖蝕掉的補焊熔敷金屬中，魏氏組織、珠光體的硬度略低于遠離該處管體母材基體組織的顯微硬度，但細晶區、熔合區硬度實測值均高達269 HV0.2，焊熔敷金屬中馬氏體組織硬度更高，實測值最大值為705 HV0.2。

表5 管體刺孔處和具有補焊特征的區域顯微硬度檢測結果 HV0.2

2.3.5 壓扁試驗

在管體取壓扁試樣，按照GB/T 246—2007《金屬管壓扁試驗方法》[9]要求進行壓扁試驗，試驗設備為SHT4106。試驗結果顯示，將焊縫置于與受力方向0°位置，壓扁至2/3 D直至貼合，未出現開裂。

3 試驗結果分析

管體上含刺孔處金相試樣的光學金相觀察結果表明，刺孔邊緣有一圈熱影響組織，且局部還保留有焊態的熔敷金屬，該管體曾經補焊過。該管體補焊組織中粗大的魏氏組織和馬氏體組織的存在，說明其補焊過程中，焊接熱輸入較大。另外管體刺孔處未被完全沖刷掉的補焊金屬與管體母材之間密集夾雜物的存在，說明管體表面補焊工藝質量欠佳。綜上所述，該管體補焊處存在較大的質量隱患。

4 結 語

通常為了確保油氣輸送管道工程安全高效運營，對于管道建設用PSL2級別的鋼管，API SPEC 5L《管線管規范》[10]， ISO 3183《石油和天然氣工業—管道輸送系統用鋼管》[11]以及GB/T9711.2《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件 第2部分B級鋼管》[12]等輸送管道用鋼管標準對管體母材缺陷的修復均有嚴格規定，不允許對缺陷采用焊接方式進行修復。該項目用鋼管生產執行標準為GB/T 9711.2—1999，其管體母材不僅補焊過，且存在嚴重的補焊缺陷，導致管體局部承壓能力下降，在管道打壓過程中，發生局部泄漏并刺穿。

［1］崔延，聶向暉，李云龍，等.ERW焊管焊縫沖擊韌性的影響因素解析[J].熱加工工藝，2011（23）：185-187.

［2］GB/T 13298—1991，金屬顯微組織檢驗方法[S].

［3］GB/T 10561—2005，鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標準評級圖顯微檢驗法[S].

［4］GB/T 6394—2002，金屬平均晶粒度測定方法[S].

［5］GB/T 4336—2007，碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法[S].

［6］GB/T 228—2002，金屬材料室溫拉伸試驗方法[S].

［7］GB/T 229—2007，金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法[S].

［8］GB/T 4340.1—2009，金屬材料維氏硬度試驗 第1部分試驗方法[S].

［9］GB/T 246—2007，金屬管壓扁試驗方法[S].

［10］API SPEC 5L，管線管規范[S].

［11］ISO 3183，石油和天然氣工業—管道輸送系統用鋼管[S].

［12］GB/T 9711.2—1999，石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件第2部分 B級鋼管[S].

Failure Analysis of L360 HFW Pipe for Gas Pipeline

WANG Peng，CHI Qiang，LIU Yinglai，JI Lingkang，YANG Fang
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077，China）

In the process of pressure test for a natural gas pipeline project,when the pressure rose to 3.6 MPa,the L360 HFW pipe with diameter of φ406.4 mm×7.1 mm of pressure test section leaked.According to this phenomenon，the cracking reason for φ406.4 mm×7.1 mm L360 HFW pipe was analyzed by chemical composition analysis,mechanical property testing,macro and scanning electron microscopy(SEM)analysis.Test results showed that the pipe body was repair welded,and thick widmanstatten and martensite exist in the welding microstructure.Dense inclusions exist between metal welding and pipe body.The results showed that the mainly leak reason for L360 HFW pipe is the higher heat input during the repair welding and poor quality of pipe surface repair welding process.

welded pipe;HFW pipe;fracture;repair welding

TE973

B

1001－3938（2015）09-0037-04

王 鵬（1981—），男，碩士，工程師，主要從事油氣輸送管道用鋼管、彎管及管件方面的應用基礎、新材料開發等。

2015-04-01

黃蔚莉