20鋼等徑無縫三通開裂原因

李麗鋒，陳月娥，任國琪，朱麗霞，武 剛，羅金恒

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安 710077；2.中國石油大學(華東)儲運與建筑學院,青島 257061；3.中國石油新疆油田公司，克拉瑪依 834000)

0 引 言

三通是油氣輸送管道的重要組成部分，主要用于改變管道方向和管徑大小，實現管道分支和特殊連接等功能，在油氣管道上應用廣泛，并逐漸向大口徑、大壁厚、高強度方向發展[1-4]。

2016年5月，某天然氣管線高壓閥門配套三通在試投產時發生環向開裂，導致天然氣泄漏。該三通為DN250等徑無縫三通，產品執行標準為GB/T 12459-2005，材料為20鋼，采用冷擠壓工藝成形，熱處理狀態為正火。該三通主管與支管坡口處外徑為273 mm，公稱壁厚為6.35 mm，主管中心線至支管端面的距離為216 mm，設計壓力為5.6 MPa，失效時管線壓力為12 MPa。為防止此類三通開裂事件再次發生，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 表面宏觀形貌

試樣原始送檢狀態為防腐層部分剝離狀態。由圖1可以看出：開裂位置位于三通支管上，距主管中心線150 mm，小于GB/T 12459-2005中等徑無縫三通主管中心線至支管端面的距離(216±2) mm；開裂處外表面可見局部下凹，經超聲波測量得到開裂處最小壁厚為3.35 mm，經確認為開裂后現場人為打磨所致；防腐層完全剝離后，可見開裂位置所在管周方向的內外表面相對平整，主管兩端面附近可見環焊縫；開裂處外表面可見長5 mm、寬4 mm的孔，孔兩側存在環向裂紋，與外表面孔相對應的內表面存在長2 mm、寬1 mm的孔，在兩側明顯可見環向裂紋，開裂位置所在環帶內表面可見多處金屬缺失，呈圓狀或條狀形貌；三通內、外表面未見塑性變形和腐蝕損傷痕跡。

圖1 失效三通各位置的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of each position of failed tee: (a) after partially stripping anticorrosion layer; (b) enlargement of cracking location; (c) after entirely stripping anticorrosion layer; (d) outer surface of cracking location; (e) inner surface of cracking location and (f) inner surface at cracking location of loop

1.2 無損檢測

采用CJZ-212E型磁粉探傷儀對開裂位置所在環帶內、外表面進行磁粉探傷。由圖2可以看出，開裂處存在1條環向穿透性裂紋，外表面裂紋長度為45 mm，內表面裂紋長度為40 mm，其余位置未見裂紋。

圖2 失效三通開裂位置所在環帶內、外表面的磁粉探傷結果Fig.2 Magnetic particle inspection results of outer (a) and inner(b) surfaces at cracking location of loop of failed tee

采用XXQ-2005型X射線探傷儀對開裂位置所在環帶進行X射線探傷。由圖3可以看出，開裂位置所在環帶存在嚴重的金屬不連續現象，且在開裂處較嚴重，表明該處存在嚴重的金屬缺失。

圖3 失效三通開裂位置所在環帶的X射線探傷結果Fig.3 X-ray inspection results at cracking location of loop offailed tee

1.3 化學成分

采用ARL4460型直讀光譜儀測試三通主管管體，開裂位置近支管側、近主管側管體的化學成分。由表1可知，主管管體，開裂位置近支管側、近主管側的化學成分均滿足GB/T 699-1999標準要求。

表1 失效三通的的化學成分(質量分數)

1.4 截面宏觀形貌和顯微組織

采用線切割在開裂位置附近按照圖5所示位置截取全壁厚金相試樣，1#為下凹位置，2#和4#為環向裂紋即開裂位置所在環帶兩側，3#為開裂位置，在圖1(f)的位置2處截取金屬缺失試樣，標記為5#，觀察截面試樣宏觀形貌和顯微組織。

圖5 失效三通開裂位置附近金相試樣的取樣位置Fig.5 Sampling position of metallographic sample near crackinglocation of failed tee

由圖6可以看出：環向裂紋、開裂位置、金屬缺失位置均位于同一環帶，呈明顯的焊縫和熱影響區特征，表明該環帶為環焊縫，各位置均存在明顯的孔洞缺陷，孔洞位于焊縫區的填充焊和根焊區域。

圖6 開裂位置附近的宏觀形貌Fig.6 Macromorphology near cracking location

由圖7可以看出，開裂位置存在明顯的孔洞，孔洞處的剩余壁厚不足1 mm，有效承壓壁厚大大減小，為起裂部位。

圖7 開裂位置的截面宏觀形貌Fig.7 Macromorphology of section of cracking location

同一環帶上裂紋端部、開裂位置、金屬缺失位置的組織特征相同，選取2#試樣，對其進行磨拋，采用體積分數為4%的硝酸酒精腐蝕后，在MeF3A型光學顯微鏡和OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡下觀察截面顯微組織。由圖8可以看出，裂紋靠近主管端和支管端母材組織均為鐵素體+珠光體，但晶粒度存在明顯差異，靠近主管側的晶粒度為9.5級，靠近支管側的晶粒度為7.0級，填充焊焊縫組織為鐵素體+珠光體，蓋面焊焊縫組織為針狀鐵素體+珠光體+魏氏組織，熱影響區組織為珠光體+魏氏組織。

圖8 裂紋所在環帶不同位置的顯微組織Fig.8 Microstructures of different positions of loop with cracks: (a) base metal near main pipe; (b) base metal near branch pipe;(c) filler weld; (d) cover weld and (e) heat affected zone

1.5 裂紋面形貌及微區成分

人工打開裂紋后，采用TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡(SEM)及附帶的XFORD INCA350型能譜儀(EDS)觀察裂紋面形貌并測試微區成分。由圖9和圖10可以看出：開裂位置的裂紋面被凸起的塊狀灰黑色物質完全覆蓋，該物質主要由鐵的氧化物組成；裂紋面上還存在枝晶狀非金屬夾渣，其主要成分為氧、鐵和鈦，同時含有少量硅、鉻等，判斷其為焊條的藥皮成分。

圖9 開裂位置的裂紋面形貌Fig.9 Crack surface morphology of cracking location: (a) macromorphology and (b) SEM morphology

圖10 枝晶狀非金屬夾渣的EDS譜Fig.10 EDS pattern of dendrite shaped non-metallic slag

1.6 拉伸性能

沿開裂位置近主管和支管側橫向截取全壁厚板狀拉伸試樣，試樣寬度和標距分別為25，50 mm，根據GB/T 228-2010在UTM5305型拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為5 mm·min-1。由表2可以看出，開裂位置兩側管體的拉伸性能均滿足GB/T 8163-2008標準要求。

表2 失效三通開裂位置近主管和近支管側的拉伸性能

2 開裂原因分析

該失效三通開裂位置距主管中心線的距離小于GB/T 12459-2005中等徑無縫三通主管中心線至支管端面的距離；開裂位置存在嚴重的金屬缺失；開裂位置近主管和支管側的化學成分和拉伸性能均滿足標準要求；開裂位置兩側裂紋靠近主管和支管端母材組織均為鐵素體+珠光體，晶粒度存在顯著差異，表明開裂位置兩側鋼管的生產工藝不同；開裂位置所在環帶呈明顯的焊縫和熱影響區組織特征，表明該環帶為環焊縫，開裂位置位于環焊縫上；開裂位置處的裂紋面被灰黑色物質覆蓋，該物質主要由鐵的氧化物組成，少量為焊條藥皮成分的疏松枝晶狀非金屬夾渣，進一步說明開裂點位于環焊縫上。

剝離防腐層后，開裂位置整個環帶內、外表面呈明顯的環焊縫特征，同時經現場確認，與三通支管連接的現場環焊縫在送樣時并未截取。因此，判斷開裂位置的環焊縫是在三通制造過程中產生的。該失效三通屬于等徑無縫三通，采用冷擠壓成型工藝，生產工序主要包括下料、去毛刺、潤滑、冷擠壓、應力消除、割通、修整、表面處理、車坡口和無損探傷等。失效三通支管上存在異常環焊縫，不符合等徑無縫三通的生產工藝要求。該環焊縫存在嚴重的金屬不連續現象，且開裂位置最嚴重，存在未焊透缺陷，這進一步表明該三通存在嚴重的質量問題，制造過程中的無損探傷和質量驗收環節未能發揮作用。

裂紋附近、開裂位置、金屬缺失位置均存在未焊透缺陷，導致三通有效壁厚顯著降低，尤其是開裂位置未焊透缺陷尺寸較大，極大降低了三通的承壓能力，隨著試壓壓力增大，該位置最先起裂并擴展，直至穿透剩余壁厚，最終導致泄漏[5-6]。

3 結論及建議

(1) 該失效三通的開裂位置在支管的環焊縫上，環焊縫是在三通制造階段產生，不符合等徑無縫三通的生產質量要求。

(2) 開裂的主要原因是環焊縫上存在嚴重的未焊透缺陷，隨著試壓壓力增大，未焊透缺陷起裂并擴展直至穿透剩余壁厚。