Q345鋼輸油管道開裂原因分析

朱開陽

(國電都勻發(fā)電有限公司， 福泉 550501)

Q345鋼作為一種中強(qiáng)度、高韌性的熱軋結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、管道等領(lǐng)域，優(yōu)良的焊接性是Q345鋼被廣泛應(yīng)用的原因之一[1-2]。某電廠公用系統(tǒng)輸油管道在運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏，管道規(guī)格為φ133 mm×5 mm，材料為Q345鋼，泄漏位置在彎頭焊縫和直管連接焊縫處，為了減少漏油對(duì)運(yùn)行設(shè)備的影響，電廠在泄漏部位表面進(jìn)行了簡單的堆焊處理。出于對(duì)整體設(shè)備的安全性考慮，電廠在停機(jī)檢修時(shí)將該彎頭進(jìn)行了更換。為了查明管道泄漏原因，杜絕類似事故再次發(fā)生，筆者對(duì)開裂管道進(jìn)行了失析分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

由于在管道泄漏后，電廠采取了直接補(bǔ)焊處理的臨時(shí)措施，所以彎頭外表面焊縫部位未見明顯異常，但彎頭內(nèi)壁裂紋依然清晰可見。對(duì)管道進(jìn)行滲透檢測(cè)，裂紋形貌如圖1所示。可見裂紋分布于彎頭側(cè)熔合線處，長約100 mm，基本平行于焊縫。焊縫存在錯(cuò)邊和根部未熔合現(xiàn)象。

圖1 管道內(nèi)壁裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the crack at inner wall

1.2 化學(xué)成分分析

采用FOUNDRY-MASTER型牛津全譜立式直讀光譜儀，在直管段和彎頭處分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見管道直管段的化學(xué)成分滿足GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q345鋼的成分要求，而管道彎頭處的化學(xué)成分則與GB/T 1591—2018中Q345鋼的成分不符。

表1 開裂管道的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked pipe (mass fraction) %

1.3 硬度測(cè)試

在開裂管道遠(yuǎn)離焊縫位置的直管段和彎頭處分別取樣，試樣表面采用砂紙打磨，然后用HBE-3000A型布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試5點(diǎn)，測(cè)得開裂管道遠(yuǎn)離焊縫位置的直管段和彎頭處的布氏硬度平均值分別為160 HB和235 HB，可見兩者硬度差別較大。

1.4 金相檢驗(yàn)

在開裂管道的直管段、彎頭處、兩者的連接焊縫處以及裂紋處分別取樣，在縱截面上進(jìn)行金相檢驗(yàn)。試樣經(jīng)磨拋后，用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，在蔡司金相顯微鏡下觀察，如圖2所示。可見直管段和彎頭處母材的顯微組織不同，直管段為鐵素體+珠光體，如圖2 a)所示；彎頭處為馬氏體并呈明顯帶狀分布，如圖2 c)～d)所示；焊縫存在魏氏組織，其熔合區(qū)形貌如圖2 b)所示；裂紋處未見明顯夾雜且裂紋兩側(cè)顯微組織與彎頭母材顯微組織一致，如圖2 e)～ f)所示。

圖2 開裂管道各處顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the cracked pipe:a) straight pipe section; b) fusion zone; c) low magnification morphology of elbow; d) high magnification morphology of elbow; e) uncorroded zone at crack root; f) corroded zone at crack root

2 分析與討論

化學(xué)成分分析結(jié)果表明開裂管道的彎頭和直管段母材不同，直管段材料與設(shè)計(jì)材料一致。彎頭的金相檢驗(yàn)結(jié)果表明其存在明顯的帶狀組織，帶狀組織應(yīng)在連鑄過程中形成，由于組織遺傳性的存在，后續(xù)的熱處理工藝仍然沒有消除這種形態(tài)。由于鋼液澆鑄溫度偏高，并且錳/硅比例系數(shù)較大，造成了硅錳枝晶偏析，從而出現(xiàn)帶狀組織[3-6]。直管段的錳與硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1.84，彎頭的錳與硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為7.35，成分配比決定了彎頭處容易生成帶狀組織，而該組織的存在對(duì)后續(xù)彎制過程有較大的影響，表現(xiàn)為容易形成表面裂紋[7]。

實(shí)際焊接采用Q345鋼的同種鋼焊接工藝執(zhí)行，而彎頭和直管的焊接已經(jīng)屬于異種鋼焊接范疇，實(shí)施的焊接工藝不適用于彎頭和直管焊接，熔合區(qū)魏氏組織的存在也說明了焊接工藝不當(dāng)。按國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式計(jì)算得出直管段的碳當(dāng)量為0.28，滿足GB/T 1591—2018的技術(shù)要求，屬于易焊接材料。彎頭段的碳當(dāng)量高達(dá)0.78，屬于難焊接材料。在一般焊接過程中，當(dāng)碳當(dāng)量低于0.4時(shí)，不需要進(jìn)行預(yù)熱處理，碳當(dāng)量達(dá)到0.6后，焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的傾向明顯增強(qiáng)。裂紋距焊縫中心線為6 mm，對(duì)于壁厚為5 mm的管材，手工電弧焊的熱影響區(qū)寬度一般為6～8 mm，說明裂紋正好處于熱影響區(qū)內(nèi)，很可能是焊接產(chǎn)生的冷裂紋。

綜上所述，裂紋產(chǎn)生有以下3個(gè)方面原因：焊接前未正確識(shí)別材料是否與設(shè)計(jì)材料一致。焊接操作時(shí)誤將兩個(gè)部件當(dāng)同種鋼焊接，使得制訂的焊接工藝不適用于本次焊接，因此焊縫質(zhì)量存在問題，錯(cuò)邊和根部未熔合現(xiàn)象加大了焊接應(yīng)力、減弱了焊縫強(qiáng)度。彎頭質(zhì)量存在問題，帶狀組織對(duì)彎制不利，容易萌生表面裂紋。

3 結(jié)論及建議

由于彎頭的選材不當(dāng)，后續(xù)對(duì)直管段和彎頭進(jìn)行焊接前未能正確識(shí)別材料，造成制訂的焊接工藝不恰當(dāng)。不恰當(dāng)?shù)暮附庸に囀沟煤附訜嵊绊憛^(qū)產(chǎn)生了冷裂紋，最終導(dǎo)致該Q345鋼輸油管道開裂。

建議對(duì)同批次入廠的彎頭進(jìn)行跟蹤檢查，確認(rèn)其實(shí)際材料，對(duì)實(shí)際材料與設(shè)計(jì)材料不符合的彎頭進(jìn)行更換；焊接完成后的焊縫要根據(jù)要求進(jìn)行全面的無損檢測(cè)，確保焊接質(zhì)量。