油氣輸送用管道銅脆開(kāi)裂案例剖析

王高峰，聶向暉，劉迎來(lái)，安 順，豐振軍

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.西安輸油氣分公司 陜西 西安 710000)

·失效分析與預(yù)防·

油氣輸送用管道銅脆開(kāi)裂案例剖析

王高峰1，聶向暉1，劉迎來(lái)1，安 順2，豐振軍1

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.西安輸油氣分公司 陜西 西安 710000)

列舉近幾年因銅污染致脆開(kāi)裂的油氣輸送管道事故案例，并對(duì)其事故原因進(jìn)行剖析，分析失效機(jī)理以探明失效原因。對(duì)油氣管道銅污染源從生產(chǎn)、吊裝、儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，并提出了銅污染預(yù)防措施，避免類似失效發(fā)生。

失效；銅污染；液態(tài)金屬致脆；開(kāi)裂

0 引 言

管道運(yùn)輸作為5大運(yùn)輸方式之一，在油氣輸送中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。然而石油、天然氣具有易燃易爆的特點(diǎn)，油氣管道安全運(yùn)行關(guān)系到國(guó)家能源安全和公共安全。保護(hù)油氣管道，從根本上講是保障國(guó)家的經(jīng)濟(jì)安全、社會(huì)穩(wěn)定和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]，因此對(duì)油氣管道的失效分析對(duì)其安全運(yùn)行具有重要的意義。通常，油氣管道的失效原因可劃分為：外部干擾、腐蝕、焊接和材料缺陷、設(shè)備和操作以及其他原因[1]。文獻(xiàn)[2]對(duì)我國(guó)近年來(lái)28起油氣管道失效事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果是鋼管質(zhì)量問(wèn)題占事故總數(shù)的近40%，是管道發(fā)生失效事故的主要原因之一。文獻(xiàn)[3] 分析了2000年～2015年由石油管工程技術(shù)研究院完成的彎管失效分析案例，其中彎管質(zhì)量問(wèn)題占事故總數(shù)的59%，彎管質(zhì)量問(wèn)題中的“銅脆”約占總事故的12%。

1 銅污染致脆開(kāi)裂機(jī)理

本文所謂“銅脆”指的是碳鋼鋼管因銅污染致脆開(kāi)裂，在失效分析分類中屬于液態(tài)金屬致脆(Liquid Metal Embrittlement，LME)范疇。眾所周知，低碳鋼的熔點(diǎn)為1 400℃～1 500℃；純銅的熔點(diǎn)為1 083℃，但與低熔點(diǎn)金屬形成合金后，熔點(diǎn)大大降低，所以銅及其合金相對(duì)于鋼管來(lái)說(shuō)屬于低熔點(diǎn)金屬。鋼管經(jīng)歷高溫過(guò)程中，如有低熔點(diǎn)金屬銅及其合金接觸時(shí)，則會(huì)造成液態(tài)金屬致脆，有時(shí)又叫銅污染裂紋(CCC)[4]，液態(tài)金屬致脆產(chǎn)生的條件是：1)金屬與低熔點(diǎn)金屬長(zhǎng)時(shí)間接觸；2)存在拉應(yīng)力(拉應(yīng)力可以是外加拉應(yīng)力，也可以是零件在工藝過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力)；3)較高的溫度條件[5]。

一般認(rèn)為，溫度達(dá)到低熔點(diǎn)金屬熔點(diǎn)溫度約2/3、甚至1/2 時(shí)[6，7]，在拉應(yīng)力作用下，低熔點(diǎn)金屬受熱熔化時(shí)若與固體金屬表面直接接觸，常使該固體金屬浸濕，低熔點(diǎn)金屬即會(huì)沿晶界擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部，在拉應(yīng)力作用下，從表面起裂, 而裂紋尖端吸附低熔點(diǎn)液態(tài)金屬原子，進(jìn)一步降低固體金屬的晶體結(jié)合鍵強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋脆性擴(kuò)展。這種液態(tài)金屬致脆斷裂往往在瞬間發(fā)生[8-10]。

本文就近幾年筆者經(jīng)歷的幾期因銅污染致脆開(kāi)裂的油氣輸送管道事故案例進(jìn)剖析，分析失效機(jī)理以探明失效原因、尋找控制措施，避免類似失效發(fā)生。

2 典型案例分析

2.1 案例1：彎頭開(kāi)裂分析

某管件廠加工Φ457 mm×15 mm X65彎頭時(shí)，發(fā)現(xiàn)一彎頭外弧側(cè)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，裂紋沿彎頭環(huán)向擴(kuò)展，長(zhǎng)度約為150 mm，寬度約為2 mm，其宏觀照片如圖1(a)所示，將開(kāi)裂部位斷口制樣后，使用酒精及丙酮對(duì)其表面清洗，并用醋酸纖維多次覆膜斷口除銹，斷口宏觀形貌如圖銅1(b)所示，表面局部區(qū)域覆蓋一層黃色物質(zhì)。

圖1 Φ457 mm×15 mm X65彎頭開(kāi)裂宏觀照片

經(jīng)失效研究分析，彎頭的化學(xué)成分、夏比沖擊及硬度等試驗(yàn)結(jié)果符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，其組織以粒狀貝氏體為主，晶粒度為6.5級(jí)。通過(guò)對(duì)斷口組織金相分析可知，斷口上覆蓋有亮白色異物，如圖2所示。在斷口的二次裂紋中也有這種異物的滲透，且沿晶界分布，如圖3所示。斷口的EDS能譜分析顯示，斷口上含有Cu、Zn等元素，分析結(jié)果如圖4所示。因此，可以推測(cè)該彎頭彎制之前被黃銅污染，在隨后彎頭高溫加工時(shí)，彎頭外弧側(cè)承受拉應(yīng)力，上述條件形成了液態(tài)金屬致脆產(chǎn)生條件，導(dǎo)致外弧側(cè)沿環(huán)向開(kāi)裂。

圖2 斷口金相分析

圖3 斷口二次裂紋金相分析

圖4 斷口EDS能譜分析位置及圖譜

2.2 案例2：直縫埋弧焊管開(kāi)裂分析

某天然氣輸送管道項(xiàng)目在投產(chǎn)前的試壓過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)一根規(guī)格為Φ610 mm×8 mm、材質(zhì)為L(zhǎng)415M的直縫埋弧焊鋼管(SAWL)開(kāi)裂泄漏，圖5為開(kāi)裂鋼管的宏觀照片。鋼管開(kāi)裂處位于距離縱焊縫約170 mm的母材上，外表面表現(xiàn)為長(zhǎng)度約13 mm的縱向裂縫，對(duì)應(yīng)部位內(nèi)表面母材金屬缺損，形成一個(gè)縱向長(zhǎng)度為41 mm，最大寬度為19 mm，最大深度為5 mm的凹坑，凹坑部分邊緣存在金屬堆積現(xiàn)象，表現(xiàn)為金屬灼傷特征。

將開(kāi)裂部位切割制樣后，使用酒精及丙酮清洗其表面，清洗之后內(nèi)表面凹坑形貌如圖5(a)所示，凹坑底部開(kāi)裂，凹坑表面被黑色物質(zhì)覆蓋，覆蓋物上有蜂窩狀密集孔洞。在距凹坑邊緣25 mm處有呈黃色金屬光澤的熔滴狀物質(zhì)，如圖5(b)所示。

圖5 Φ610 mm×8 mm L415M SAWL開(kāi)裂宏觀照片

內(nèi)表面凹坑附近黃色金屬光澤物質(zhì)EDS能譜分析結(jié)果如圖6所示。由分析結(jié)果可知，凹坑附近黃色金屬光澤物質(zhì)主要元素為Cu和Sn，由此可以判，該黃色物質(zhì)應(yīng)該為黃銅。同樣對(duì)凹坑內(nèi)表面進(jìn)行EDS能譜線掃描，分析結(jié)果如圖7所示。凹坑底部主要元素為Cu元素。缺陷處的金相分析結(jié)果顯示，凹坑表面覆蓋一層銅合金，銅合金層內(nèi)有圓形或橢圓形氣孔，銅合金層下的鋼管母材有局部開(kāi)裂現(xiàn)象，裂紋基本與母材表面垂直，在局部區(qū)域銅合金沿母材晶界開(kāi)裂處滲入到母材內(nèi)部，臨近銅合金層處的母材晶粒較粗大，部分組織呈貝氏體特征，如圖8所示。綜上所述，可以推測(cè)該鋼管母材開(kāi)裂是由鋼管基體高溫灼傷而形成的凹坑及銅污染而引起。

圖6 黃色金屬能譜分析

圖7 缺陷坑底能譜分析

圖8 缺陷處金相分析

2.3 案例3：感應(yīng)加熱彎管開(kāi)裂分析

某天然氣輸送管道工程用Φ762 mm×31.8 mm X70-6D感應(yīng)加熱彎管進(jìn)行外防腐噴砂工序后，發(fā)現(xiàn)1支彎管外弧側(cè)管體局部存在多條橫向裂紋時(shí)。裂紋宏觀形貌如圖9所示。

經(jīng)失效研究分析，彎管的化學(xué)成分、夏比沖擊及硬度等試驗(yàn)結(jié)果符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，而外弧側(cè)管體拉伸強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在對(duì)彎管的裂紋分析后發(fā)現(xiàn)，裂紋內(nèi)存在黃色金屬物質(zhì)，裂紋擴(kuò)展沿晶界分布，如圖10、圖11所示。結(jié)合掃描電鏡能譜分析顯示，裂紋內(nèi)黃色金屬物質(zhì)為銅元素，如圖12所示。由此推論，該彎管開(kāi)裂產(chǎn)生原因是在彎管感應(yīng)加熱煨制過(guò)程中，因工藝不當(dāng)鋼管受到銅污染，在高溫下銅不能固溶于鋼中，鋼與鐵形成低熔點(diǎn)共晶物分布于鋼中晶粒邊界，使管材的強(qiáng)度和延展性降低。彎管在制造過(guò)程中承受了拉應(yīng)力而發(fā)生了銅脆開(kāi)裂。

圖9 彎管開(kāi)裂區(qū)域宏觀形貌

3 銅的來(lái)源及預(yù)防措施

3.1 銅的來(lái)源

上述3個(gè)案例中，管道開(kāi)裂原因都因?yàn)殂~污染致脆，然而在油氣輸送管道上面的銅是從何而來(lái)的呢，筆者從油氣輸送管道的生產(chǎn)工序、吊裝、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，認(rèn)為管道上的銅主要來(lái)源有以下幾個(gè)方面。

1)來(lái)源于生產(chǎn)環(huán)節(jié)。就埋弧焊管而言，從其制造過(guò)程中分析，銅可能來(lái)源于焊接過(guò)程，因?yàn)槁窕『负附与姌O材料一般為銅合金，在埋弧焊管焊接過(guò)程中，可能由于某種原因焊接電極與母材接觸產(chǎn)生電弧，高溫電弧熔化了焊接電極銅合金，使得鋼管母材被銅污染。圖13為某廠連接工件的焊接電極，與鋼管接觸的卡鉗為碳鋼，卡鉗與電纜銅芯相連接，這樣做的目的是為了避免鋼管與銅芯直接接觸而受污染。按照工廠操作規(guī)程每根鋼管焊接時(shí)必須將卡鉗固定于鋼管端部，但是有些焊接人員為了工作效率，不遵守操作章程，將卡鉗與電纜直接扔進(jìn)鋼管內(nèi)部，這樣操作有可能使得電纜銅芯與鋼管內(nèi)壁直接接觸。

圖10 裂紋截面宏觀形貌

圖11 裂紋延晶特征形貌

圖12 裂紋晶界邊緣黃色物質(zhì)SEM形貌和能譜圖

圖13 連接工件的焊接電極

對(duì)于感應(yīng)加熱彎管來(lái)說(shuō)銅可能來(lái)源于其母管，也可能來(lái)源于煨制過(guò)程，彎管煨制前與助推管焊接時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工人未遵守操作章程，將焊機(jī)火線放置在鋼管上，火線內(nèi)銅絲附著在管壁上，由此帶來(lái)了銅污染[11]，如圖14所示。此外，彎管、彎頭的感應(yīng)加線圈材質(zhì)也是銅合金，在煨制前或過(guò)程中也有可能與鋼管外壁接觸。

圖14 鋼管外壁上的銅線痕跡

2)來(lái)源于吊裝過(guò)程。在之前鋼管吊裝時(shí)為了避免管端坡口損傷，在鋼制吊鉤的內(nèi)側(cè)墊有銅或其它質(zhì)地較軟的材質(zhì)，這樣有可能造成鋼管端部遭受銅污染，不過(guò)目前這種吊鉤已經(jīng)被禁止使用。

3)來(lái)源于運(yùn)輸過(guò)程。鋼管在運(yùn)輸時(shí)可能與銅或其它低熔點(diǎn)金屬混合裝車，在運(yùn)輸途中兩者相互摩擦，使得鋼管被其污染。

3.2 預(yù)防措施

為了避免管線鋼管出現(xiàn)銅污染致脆開(kāi)裂失效事故，建議采取以下預(yù)防措施：

1)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工人的教育，陳述銅污染的嚴(yán)重危害(尤其是下步工序需要加熱的鋼管)，嚴(yán)格遵守操作章程，避免鋼管與銅接觸。

2)感應(yīng)加熱彎管、彎頭煨制前發(fā)現(xiàn)母管存在銅污染時(shí)，可進(jìn)行噴砂處理工藝, 以清除直管內(nèi)、外壁上的外來(lái)銅。

3)在鋼管吊裝、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)杜絕鋼管表面與Cu、Sn、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬接觸。

[1] 李鶴林．油氣管道失效控制技術(shù)[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(6)：401-410.

[2] 張 蕾，何小東，陳宏達(dá). 油氣輸送鋼管安全運(yùn)行的質(zhì)量控制模式及影響因素[J]．焊管，2016，39(6):64-68.

[3] 仝 珂. 油氣輸送用彎管失效原因及典型案例分析 [J]．石油管材與儀器，2016,2(1):46-49.

[4] (美)Celia D.Youngren, Robert L.Hipley. 極低溫條件下使用的X級(jí)管線鋼感應(yīng)彎頭[J],天然氣與石油，1999,17(1)：23-30.

[5] 孫 智，江 利，應(yīng)鵬展.失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2005：132-133.

[6] 陳方玉.82B 線材脆性斷裂原因分析[J].武鋼技術(shù), 2005, 43(6):9.

[7] 才 箏，張志霞. 316L 焊管在生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)裂原因的分析[J].物理測(cè)試，2011，29(3): 48-62.

[8] 張權(quán)明,遲 淳,張 勇，等.液態(tài)金屬致脆失效案例分析[J].物理測(cè)試，2008，26(6)：51-53.

[9] 李金鳳，呂拴錄.感應(yīng)加熱彎管煨彎裂紋分析[C].//中國(guó)金屬學(xué)會(huì)分析測(cè)試學(xué)術(shù)年會(huì)，2004,24:557-559.

[10] 楊專釗，王高峰，惠 非，等.感應(yīng)加熱彎管開(kāi)裂分析[J].熱加工工藝， 2014，43(19):223-226.

[11] 劉迎來(lái), 中頻熱煨制控軋鋼彎管的開(kāi)裂及預(yù)防措施[J].管道技術(shù)與設(shè)備，1999，7(6)：26-31.

Study of Copper Embrittlement Cracking Cases in Oil & Gas Pipeline

WANG Gaofeng1, NIE Xianghui1, LIU Yinglai1, AN Shun2, FENG Zhenjun1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China； 2.Xi′anOilandGasTransportationCompany,Xi′an,Shaanxi710000,China)

The cases of oil & gas pipeline copper contamination accident were listed in recent years, and the causes were analyzed to find the failure mechanism. The copper pollution sources of oil & gas pipeline were analyzed from the aspects of production, hoisting, storage and transportation, and the prevention measures were put forward to avoid similar failure.

failure; opper contamination; liquid metal embrittlement; cracking

王高峰，男，1981年生，工程師，2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)材料加工工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事油氣輸送鋼管性能研究工作。E-mail: wanggaofeng610@126.com

TE973

A

2096-0077(2017)01-0059-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.014

2016-08-02 編輯：葛明君)