直縫埋弧焊鋼管穿孔原因

張 樂, 叢 深, 韓 軍, 余 志, 王亞龍

(中國石油集團工程材料研究院有限公司, 西安 710077)

2019年，某地一段直縫埋弧焊鋼管在試壓作業時發生穿孔泄漏，給正常生產造成極大影響[1-2]。該直縫埋弧焊鋼管的規格(外徑×壁厚)為406.4 mm×10.3 mm，材料為L415M鋼，在鋼管外防腐層經打磨后，管體區域沒發現明顯點蝕痕跡，且整個管段內未見明顯塑性變形。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能試驗、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)分析等方法對穿孔鋼管進行了研究。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

穿孔直縫埋弧焊鋼管的宏觀形貌如圖1所示。管體為直縫管，在管體中間部位有一處圓形孔洞，局部放大觀察，發現穿孔呈現“外粗內細”的現象，可推測此處穿孔刺漏應該是由外向內造成的，并且管體內壁和外壁均未出現壁厚減薄現象。

截取管體穿孔區域并制作試樣，測得穿孔孔洞外表面直徑約為7 mm，穿孔處內表面呈現金屬堆積現象，存在凸起，且附近也未發現明顯點蝕痕跡。管樣外壁穿孔形貌經局部放大后，發現孔洞內壁仍存在部分青藍色防腐噴漆的環氧粉末痕跡[見圖1e)]，說明該穿孔形成于防腐工序之前。

圖1 穿孔直縫埋弧焊鋼管的宏觀形貌

1.2 壁厚測量

采用測厚儀對穿孔周圍區域壁厚進行測量，測量間距為50 mm，測量點具體位置如圖2所示，測量結果如表1所示。由測量結果可知，該鋼管壁厚分布均勻，符合GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》標準中的規定。

表1 穿孔鋼管壁厚測量結果 mm

圖2 穿孔鋼管壁厚測量位置示意

1.3 化學成分分析

在鋼管管體制取試樣，應用ARL 4460型直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果如表2所示。由檢測結果可知，該鋼管的化學成分符合GB/T 9711—2017標準的要求。

表2 穿孔鋼管的化學成分 %

1.4 金相檢驗

從鋼管管體及穿孔處附近取樣，對試樣進行金相檢驗，其顯微組織形貌如圖3所示，焊縫處的檢測結果如表3所示。該鋼管管體組織為多邊形鐵素體(PF)與珠光體(P)，晶粒度為11.5級，帶狀組織為0.5級，非金屬夾雜物等級為A0.5，B0.5，D0.5級；焊接接頭的焊縫組織為針狀鐵素體(IAF)、粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，熔合區組織為粒狀貝氏體，細晶區組織為多邊形鐵素體和馬氏體-奧氏體小島(MA)。

圖3 鋼管的顯微組織形貌

表3 焊縫處的檢測結果 mm

在穿孔處附近沿穿孔邊界縱向取樣，發現其顯微組織均有明顯的熱影響區(見圖4)，表明該區域發生了局部高溫現象，使組織發生變化且變得不均勻，其中包括粗晶區與過渡區，觀察可發現，沿穿孔邊界區域與粗晶區有馬氏體組織。由顯微硬度測試結果可知：該處組織的硬度明顯高于周邊區域，可證實為馬氏體組織，馬氏體組織的出現進一步證明了管體表面發生了局部高溫現象。未受熱區組織主要包括多邊形鐵素體與珠光體。

圖4 穿孔處附近微觀形貌

1.5 力學性能及硬度測試

從該鋼管管體及焊接接頭處取樣，分別進行拉伸、夏比沖擊、導向彎曲及維氏硬度試驗，維氏硬度試驗壓痕位置如圖5所示，拉伸、夏比沖擊、導向彎曲及維氏硬度試驗結果分別如表4～7所示。結果表明，該鋼管力學性能及硬度均符合GB/T 9711—2011標準的要求。

圖5 維氏硬度試驗壓痕位置示意

表4 室溫拉伸試驗結果

表5 0 ℃夏比沖擊試驗結果

表6 導向彎曲試驗結果

表7 維氏硬度試驗結果 HV

1.6 掃描電鏡分析

在鋼管穿孔處取樣，經醋酸纖維+丙酮試劑清洗后，采用掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對試樣外表面進行微觀形貌觀察及能譜分析。鋼管穿孔處的SEM形貌如圖6所示，可見穿孔外表面平整，無明顯塑性變形特征，局部放大可見有輕微的腐蝕產物覆蓋，能譜分析結果如圖7所示，結果表明：穿孔處表面主要為Fe，O元素，以及Si，K和Ca元素，此外還存在少量Mn元素。

圖6 鋼管穿孔處的SEM形貌

圖7 穿孔處能譜分析結果

2 綜合分析

由理化檢驗結果可知，鋼管的化學成分和力學性能均符合GB/T 9711—2017標準的要求。幾何尺寸測量結果表明：該鋼管的壁厚分布均勻，說明試樣無明顯點蝕痕跡，且整個管段內未見明顯塑性變形。由于該鋼管是在投入使用前的試壓階段發生穿孔失效的，因此可排除管體內表面受腐蝕介質等因素產生的腐蝕穿孔[3-5]。

金相檢驗結果表明，該鋼管組織為多邊形鐵素體+珠光體，晶粒度為11.5級，非金屬夾雜物等級為A0.5，B0.5，D0.5級。穿孔處附近組織包括粗晶區與過渡區，其中粗晶區組織粗大且不均勻，沿穿孔邊界區域發現有大片板條狀馬氏體組織，馬氏體組織是由管體表面受到高溫，當溫度上升到淬火溫度后冷卻形成的。穿孔邊界不同位置均發現有明顯的組織受熱區，同時還發現馬氏體組織分布在整個壁厚方向，說明高溫覆蓋了管體的整個壁厚方向。管體穿孔完全貫穿且垂直于壁厚方向，穿孔呈現“外粗內細”的形貌，穿孔處內表面存在明顯的金屬融化堆積現象，由此可推斷該失效鋼管外表面受到高溫電焊氣割燒傷。

3 結論與建議

(1) 該直縫埋弧焊鋼管的尺寸、化學成分、力學性能等均符合GB/T 9711—2017標準的要求。

(2) 該直縫埋弧焊鋼管穿孔處組織明顯受過高溫，并產生熱影響區及馬氏體組織，穿孔的原因是管體外表面發生高溫燒傷。

(3) 建議在焊接作業時，保護好作業區域外的鋼管表面，避免產生燒傷；建議對該條管線進行檢測，以排查是否存在類似風險。