某输气管线环焊缝泄漏失效分析

张 良，罗金恒，任国琪，张 皓

(中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077)

某输气管线环焊缝泄漏失效分析

张 良，罗金恒，任国琪，张 皓

(中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077)

为了分析某输气管线环焊缝泄漏失效原因，预防类似事件发生，通过磁粉检测、夏比冲击功测试、金相分析和扫描电镜等方法对环焊缝泄漏原因进行了分析。结果表明：环焊缝存在原始裂纹是管线发生泄漏的主要原因，受补焊作业影响，原始裂纹在焊接时已经形成，在附加应力、运行压力及焊接残余应力的共同作用下，焊接裂纹优先在晶粒粗大和高应力处等敏感位置相互连接，最终发生泄漏。建议提高管线焊接质量，并加强无损检测力度。

管线；环焊缝；补焊；原始裂纹；泄漏

世界经济的飞速发展对石油天然气的需求与日俱增，管道输送作为最为经济和安全的输送方式，在近50年得到了快速发展。由于焊接接头由母材、焊缝及热影响区组成，各部分的力学性能存在一定差异，从而焊接结构的稳定性也会受到焊接接头材料不均匀性的影响[1]。相比较而言，钢管作为一个整体，其结构稳定性要高于环焊缝，所以环焊缝就成为整条管线结构的薄弱环节。

据统计，环焊缝失效的主要原因为焊接质量不稳定，特别是根焊、返修及补焊质量较差，也有个别是附加载荷引起的，其防治重点应放在管线建设质量控制上[2]。本研究对某输气管线环焊缝泄漏原因开展失效分析，为油气管道安全运行提供参考。

1 宏观分析及磁粉检测

1.1 宏观分析

某输气管线直管段与弯头连接处环焊缝发生泄漏，直管段是L450钢级Φ864mm×8.8mm直缝埋弧焊管，弯管段是L450钢级Φ864mm×14mm热煨弯头。在现场割管、换管时管道发生回弹，回弹量约300mm，说明存在附加弯曲应力[3]。另外，从环焊缝内表面的焊瘤处发现环焊缝存在补焊痕迹，补焊长度约200mm。环焊缝内表面形貌如图1所示。

1.2 磁粉检测

采用CJZ-212E型磁粉检测仪，依据标准SY/T 4109—2005《石油天然气钢质管道无损检测》对环焊缝内、外表面进行磁粉检测，检测结果如图2所示。从图2可看出，泄漏裂纹在环焊缝外表面的长度为105mm，内表面长度为220mm，裂纹位于直管侧焊趾处。

图1 环焊缝内表面形貌

图2 环焊缝磁粉检测照片

2 性能测试

为了分析环焊缝性能，在管线未泄漏部位取夏比冲击和金相试样，在裂纹处取金相试样和电镜试样，分析裂纹周围组织及断口形貌。

2.1 夏比冲击试验

采用PIT752D-2(300J)型冲击试验机，依据GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》对环焊缝及其热影响区进行夏比冲击试验。试验温度为-40℃，夏比冲击试样规格为55mm×10mm×5mm，试验结果见表1。从表1可以看出，环焊缝夏比冲击功满足标准要求。

表1 输气管线环焊缝夏比冲击试验结果

2.2 金相分析

采用MeF4M金相显微镜及图像分析系统，依据GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》对环焊缝未泄漏部位进行金相分析。结果表明：环焊缝未泄漏部位组织无异常，环焊缝外焊缝组织为粒状贝氏体，内焊缝组织为针状铁素体+珠光体(PF+P)；外焊缝熔合区组织为粒状贝氏体(B粒)，内焊缝熔合区组织为针状铁素体+珠光体(PF+P)；细晶区组织为针状铁素体+珠光体(PF+P)。

环焊缝剖面低倍形貌如图3所示。从图3可以看出，弯头与直管壁厚相差较大，弯头壁厚为14.16mm，直管壁厚为8.77mm，两者壁厚相差5.39mm。管线设计要求采用壁厚为12.5mm的直管与弯头连接，说明现场未按照设计要求施工。另外，由于壁厚相差较大，该环焊缝在壁厚较薄的直管侧存在一定应力集中[4]。

图3 环焊缝剖面低倍形貌

3 裂纹分析

3.1 宏观观察

环焊缝断后宏观形貌如图4所示。从图4(a)可以看出，清洗前断口表面覆盖一层浅黄色的腐蚀产物，可能为泄漏裂纹形成后氧化腐蚀所致；弯头侧环焊缝内表面存在大量焊瘤，初步判断是由补焊产生；另外，可以明显地看出弯头与直管壁厚相差较大。从图4(b)可以看出，断口表面浅黄色的腐蚀产物已去除，说明该腐蚀产物是环焊缝发生泄漏后发生氧化腐蚀形成的锈蚀；整个断口呈灰黑色，与机械掰断后形成的新鲜断口呈鲜明对比，一般来说，灰黑断口表面的灰黑色产物为高温氧化所致[5]，这与环焊缝受到补焊热处理的情况吻合，说明原始裂纹极有可能在补焊前或补焊时已经形成。

图4 清洗前后环焊缝断口宏观形貌

3.2 微观形貌分析

采用TESCAN-VEGAⅡ型扫描电子显微镜对断口进行微观形貌观察及能谱分析，分析结果如图5和图6所示。图5中断口沿壁厚方向可分为3个区域，根据环焊缝的焊接步骤可知，这3个区域分别为根焊、填充焊和盖面焊。断口根焊区台阶较多，并且裂纹起源于根焊位置；填充焊区较为平坦，填充焊与盖面焊过渡区亦为台阶形貌，盖面焊区则较为平齐。如图6所示，受腐蚀影响，源区断口形貌已无法看清，能谱分析结果显示该位置主要成分为Fe、O、S和Si，氧化铁是源区和断口灰黑色产物的主要成分，S则来源于输送介质，在运行过程中发生化学反应形成硫化物，说明裂纹在运行时已经形成。

图5 环焊缝断口微观形貌

图6 断口源区能谱分析结果

3.3 裂纹剖面分析

图7 裂纹尖端剖面分析

裂纹尖端剖面分析结果如图7所示。从图7(a)低倍观察可以看出，环焊缝泄漏位置有明显二次热处理痕迹，是典型的补焊返修特征，从根焊形貌及热处理痕迹来看，是将原焊缝刮除后进行的补焊作业；裂纹起源于壁厚较薄的直管侧根焊焊趾处，但裂纹并未沿焊缝的熔合区继续扩展，而是穿过焊缝扩展，说明裂纹扩展时所受应力较大。图7(b)裂纹高倍分析可以看出，裂纹尖端两侧组织不同，一侧为正常的铁素体+珠光体(PF+P)，另一侧为针状铁素体+铁素体+魏氏铁素体+粒状贝氏体+珠光体(IAF+PF+WF+B粒+P)，受补焊影响，B粒和WF组织较为粗大，会降低材料韧性[6]。

4 分析讨论

焊缝断口表面灰黑色一般是由高温氧化所致，能谱分析也证实了灰黑色产物为铁的氧化物，由此可以判断裂纹形成时(或形成后)曾受到高温氧化，而泄漏处曾进行过补焊作业，说明泄漏裂纹是在补焊时(或补焊前)形成[7]，即该环焊缝泄漏是由于存在原始裂纹所致[8-9]。

环焊缝开裂位于直管侧根焊焊趾处，由于环焊缝两侧壁厚相差较大，在直管侧焊趾处形成应力集中，并且环焊缝受到不合规的补焊作业影响，在焊缝与母材熔合区存在粗大的B粒和WF组织，不良组织使得材料抗脆性起裂及扩展的能力下降[10-11]；裂纹由根焊焊趾处起裂，但未沿熔合区(焊缝的薄弱区域)扩展，说明环焊缝受到应力较大，在现场割管、换管时管道发生回弹，即证实了环焊缝受到了横向附加载荷。因此，在不良组织、应力集中、附加载荷、运行压力及焊接残余应力等因素的综合作用下，裂纹穿透环焊缝，最终发生泄漏。

5 结论及建议

环焊缝发生泄漏是由于焊缝存在原始裂纹所致。受补焊作业影响，原始裂纹在焊接时已经形成，在附加应力、运行压力及焊接残余应力的共同作用下，焊接裂纹优先在晶粒粗大和高应力处等敏感位置相互连接，最终发生泄漏。由于原始缺陷在补焊时已经形成，但补焊后环焊缝无损检测并未查出该裂纹，建议提高环焊缝焊接质量，严格控制焊接工艺，加强无损检测力度。

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Leakage Failure Analysis of Some Gas Transportation Pipeline Circumferential Weld

ZHANG Liang,LUO Jinheng,REN Guoqi,ZHANG Hao
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In order to analyze the leakage failure reason of some gas transportation pipeline circumferential weld and prevent the similar incidents.The leakage failure reasons of circumferential weld were analyzed by magnetic particle testing,Charpy impact test,metallographic examination and scanning electron microscopy.The results showed that the original crack existingin circumferential weld is the main reason.Influenced by repair welding operation,the original crack formedin the welding.Under the combined action of the additional stress,running pressure,and welding residual stress,the welding cracks were interconnectedin some sensitive positions,priorityin coarse grains and high stress areas,eventually leaked.It is suggested that to improve the quality of pipeline welding,and strengthen the nondestructive testing.

pipeline;circumferential weld;repair welding;original crack;leakage

TG455

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.015

张 良(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事油气输送管道安全评价与失效分析工作，发表论文10余篇。

2016-08-22

李 超