某輸送管道金屬損失缺陷成因分析

王高峰， 孫寶龍， 王 飛， 黃亮亮， 任國琪，張 皓， 吳 峰， 徐 鵬

（1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院， 西安 710077； 2. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西氣東輸公司， 上海 200120； 3. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司銀川輸氣分公司， 銀川 750001）

2013 年， 某X65 鋼級Φ610 mm×8 mm 輸送管道管體內(nèi)檢測時(shí)， 發(fā)現(xiàn)一處較為嚴(yán)重的金屬損失缺陷， 開挖后發(fā)現(xiàn)為外部金屬損失。 為保證管道安全運(yùn)行， 現(xiàn)場采取管帽焊接修復(fù)的方式對該處缺陷進(jìn)行了修復(fù)。 為更好地掌握該類金屬損失缺陷的形成原因、 影響因素和機(jī)理， 減少事故的發(fā)生， 達(dá)到管道完整性管理的要求， 本研究對該輸送管道管體缺陷取樣， 進(jìn)行失效原因分析。

1 宏觀分析

為了對管道缺陷進(jìn)行分析， 將扣帽切除， 切除后管道缺陷部位原始形貌如圖1 所示。 對表面進(jìn)行清除后發(fā)現(xiàn)缺陷部位已被非金屬物質(zhì)填充，對填充物進(jìn)行了剝離和收集， 并在后期進(jìn)行了成分分析。 填充物剝離后， 缺陷宏觀形貌如圖2 所示， 由圖2 可知， 該管道缺陷為金屬損失類凹坑，凹坑直徑約為10 mm， 深度約為7 mm， 凹坑內(nèi)表面較為光滑， 邊緣局部分布著熔敷金屬， 由此可推測， 該金屬損失類凹坑并非由腐蝕導(dǎo)致。

圖1 管道失效部位原始形貌

圖2 管道缺陷宏觀形貌

2 金相組織分析

為了分析管道凹坑缺陷的形成原因， 對管道缺陷部位進(jìn)行了金相分析取樣。 由于缺陷呈圓形凹坑形狀， 因此沿缺陷中心位置和垂直壁厚方向?qū)⑵淦书_， 剖開方向與管道軸向呈約45°夾角， 以分析凹坑深度形貌、 熔敷金屬情況和凹坑內(nèi)表面情況。

金相試樣制備完成后， 利用MEF4M 金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對缺陷部位進(jìn)行顯微組織分析， 缺陷試樣剖開后橫截面低倍形貌如圖3所示。 由圖3 可以看出， 該凹坑缺陷幾乎穿透整個(gè)鋼管壁厚， 深度為7 mm 左右 （管道壁厚為8 mm）。 進(jìn)一步觀察可見， 缺陷試樣橫截面明顯存在3 個(gè)區(qū)域， 分別為管道母材區(qū)、 熱影響區(qū)以及熔敷金屬區(qū)， 各區(qū)域的金相組織形貌如圖4 所示。

圖3 缺陷試樣橫截面低倍形貌

圖4 缺陷試樣橫截面各區(qū)域金相組織形貌

由圖4 可以看出， 遠(yuǎn)離凹坑的管道母材區(qū)組織主要為粒狀貝氏體+鐵素體+珠光體（圖4 （a））；熱影響區(qū)組織主要為托氏體+鐵素體（圖4 （b））；熔敷金屬區(qū)存在諸多細(xì)小裂紋和孔洞（圖4 （c）），其中一些較大的裂紋起源于孔洞， 熔敷金屬區(qū)組織以典型的馬氏體為主（圖4 （d））， 表明熔敷金屬區(qū)經(jīng)歷了高溫奧氏體狀態(tài)并急速冷卻的過程，鋼中馬氏體最顯著的特點(diǎn)是強(qiáng)度和硬度高， 馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快， 轉(zhuǎn)變時(shí)體積發(fā)生膨脹， 在鋼的內(nèi)部形成了很大的內(nèi)應(yīng)力， 若不及時(shí)回火， 則易產(chǎn)生裂紋缺陷[1-2]。

3 X 射線能譜分析

為了進(jìn)一步明確缺陷試樣橫截面3 個(gè)區(qū)域的主要組成元素， 分析其形成原因， 對金相試樣進(jìn)行了X 射線能譜分析， 重點(diǎn)對比了熔敷金屬區(qū)域和母材區(qū)域的能譜分析結(jié)果， 如圖5 所示， 各元素含量占比見表1。 能譜分析結(jié)果表明， 熔敷金屬區(qū)域和母材區(qū)域均以Fe、 Mn、 C 元素為主， 且兩個(gè)區(qū)域相同元素含量占比相當(dāng)， 表明熔覆金屬并非外來物熔化形成， 即管道母材經(jīng)歷高溫熔化 （奧氏體狀態(tài)） 后急速冷卻所形成。

圖5 熔敷金屬區(qū)及母材X 射線能譜圖

表1 熔敷金屬區(qū)及母材X 射線能譜分析結(jié)果

4 填充物XRD 分析

為研究填充物的組分， 對割開管帽后收集的填充物進(jìn)行了XRD 分析， 結(jié)果如圖6 所示。 通過數(shù)據(jù)對比分析可知， 該填充物主要成分由滑石粉和氧化鋁組成。 調(diào)研資料表明， 該管道缺陷在管帽焊接修復(fù)之前， 由缺陷修復(fù)人員采用一種填充材料對凹坑進(jìn)行了填充， 多方詢問當(dāng)時(shí)現(xiàn)場人員確定該填充材料為速成鋼， 其主要組成為滑石粉和氧化鋁， 為一種膠泥狀膠棒， 粘合快， 固化后強(qiáng)度大、 硬度高、 耐化學(xué)腐蝕[3-5]， 與收集的填充物性質(zhì)基本一致。

圖6 填充物質(zhì)XRD 分析圖譜

5 分析與討論

宏觀觀察分析可知， 管道缺陷為圓形狀凹坑， 清除內(nèi)部填充物后， 凹坑邊緣明顯分布有熔敷金屬。 金相組織分析結(jié)果可知， 凹坑內(nèi)表面也存在熔敷金屬， 橫截面明顯存在三個(gè)區(qū)域， 即管道母材、 熱影響區(qū)和熔敷金屬區(qū)， 其中管道母材組織以粒狀貝氏體+鐵素體+珠光體為主， 熱影響區(qū)主要以托氏體+鐵素體為主， 熔敷金屬區(qū)以馬氏體為主， 表明熔敷金屬區(qū)經(jīng)歷了高溫奧氏體狀態(tài)并急速冷卻過程。 X 射線能譜分析結(jié)果表明， 熔敷金屬區(qū)和母材區(qū)均以Fe、 Mn、 C 元素為主， 且兩個(gè)區(qū)域同一元素的含量相當(dāng)， 表明凹坑表面熔敷金屬并非外來物熔化形成， 即管道母材經(jīng)歷高溫熔化后急速冷卻后所形成。

就高溫?zé)嵩炊裕?文獻(xiàn)[6]中記載了管道在環(huán)焊縫焊接施工過程中， 焊接電極與管道接觸不良產(chǎn)生電弧放電， 導(dǎo)致管道高溫?zé)g損傷； 文獻(xiàn)[7]中論述到管道在制管過程中， 焊接電極 （銅線纜） 在內(nèi)壁與管道接觸， 在焊接大電流的作用下產(chǎn)生電弧， 溫度急劇升高， 管道內(nèi)壁母材及銅線纜熔化， 從而導(dǎo)致管道高溫?zé)g損傷開裂。 但是從以上兩個(gè)案例中管道燒蝕損傷的宏觀表象來看， 管道燒蝕損傷并未導(dǎo)致管道熔融金屬缺失，即金屬熔化后在原位置結(jié)晶凝固， 而本案例凹坑中的熔融金屬已經(jīng)缺失。 文獻(xiàn)[8-10]均分析了長時(shí)雷擊對金屬材料的影響， 結(jié)果表明長時(shí)雷擊產(chǎn)生的電弧高溫會對材料性能產(chǎn)生影響， 除了對金屬表面造成燒蝕損傷外， 還對金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了損傷， 形成氣孔裂縫等缺陷， 文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中的長時(shí)雷擊對金屬表面的燒蝕損傷如圖7 所示， 圖7 中的金屬受雷擊表面燒蝕損傷宏觀表象與本案例相似。

圖7 雷擊對金屬表面的燒蝕損傷

雷電電弧放電對金屬部件局部電弧侵蝕的機(jī)理為： 在受到長時(shí)間雷擊電流與被雷擊金屬部件電弧放電過程中， 其金屬部件表面局部由于電弧產(chǎn)生高溫導(dǎo)致金屬熔化形成液態(tài)熔池，然后產(chǎn)生金屬粒子強(qiáng)烈蒸發(fā)或噴射， 使金屬粒子蒸氣以一定速度從金屬部件表面局部發(fā)射出來， 隨著長時(shí)間雷擊電流與金屬部件的電弧放電結(jié)束， 在金屬部件表面局部形成電弧坑放電， 高溫熔化產(chǎn)生氣體， 而在電弧放電結(jié)束的降溫凝固過程中， 氣體來不及逸出殘留在凝固區(qū)， 從而形成氣孔， 以及在電弧坑附近金屬區(qū)域中因電弧的產(chǎn)生與結(jié)束導(dǎo)致溫度劇烈變化的熱熔合區(qū) （包含凝固區(qū)和部分熱影響區(qū)） 內(nèi)形成裂紋[8]。

綜上所述， 可以推測由于管道遭受雷擊， 管道母材經(jīng)歷了高溫?fù)p傷熔化（奧氏體狀態(tài)） 后急速冷卻形成一層以馬氏體組織為主的熔敷金屬，且由于熔池較小， 冷卻速率快， 熔化過程中進(jìn)入熔池中的氣體等不能及時(shí)逸出， 最終形成多處孔洞。 同時(shí)， 馬氏體組織硬度高、 脆性大， 在外來或殘余應(yīng)力作用下， 以孔洞為源區(qū)產(chǎn)生了大量裂紋。 缺陷形成后， 進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)時(shí)， 采用了速成鋼對凹坑進(jìn)行填充， 填充后采用管帽焊接修復(fù)的方式完成了最終修復(fù)。

6 結(jié) 論

（1） 管道缺陷為類圓形狀凹坑， 凹坑邊緣和內(nèi)表面存在熔敷金屬。 金相組織分析結(jié)果表明，缺陷橫截面明顯存在三個(gè)區(qū)域， 即母材區(qū)、 熱影響區(qū)和熔敷金屬區(qū)， 熔敷金屬區(qū)和母材區(qū)均以Fe、 Mn、 C 元素為主， 該管道缺陷是管道母材經(jīng)歷了高溫?fù)p傷熔化（奧氏體狀態(tài)） 后急速冷卻形成一層以馬氏體組織為主的熔敷金屬。 缺陷形成后， 進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)時(shí)采用了速成鋼對凹坑進(jìn)行填充， 填充后采用管帽焊接完成了最終修復(fù)。

（2） 通過文獻(xiàn)調(diào)研分析， 本次管道缺陷與雷擊損傷特征（會使金屬表面出現(xiàn)凹坑、 突起、 或者小圓孔， 呈熔融狀等） 相似， 推測該缺陷可能為雷擊損傷所致。

（3） 對于埋地管道， 雷擊損傷的可能性不大，本案例是管道在存儲過程中產(chǎn)生的。 為避免類似情況的發(fā)生， 建議應(yīng)將管道存儲在雷電較少的地方。 此外， 也可以在管道存儲場地安裝霹雷裝置。