天然气管道弯管开裂原因分析

(国网浙江省电力有限公司 电力科学研究院，杭州 310014)

0 引言

某机组系390 MW燃气发电机组，投运生产至今将近一年(11个月)，在日前的停机状态下，发现距离前置模块弯头东侧地面有气泡冒出，对埋地管道进行开挖后，确认是天然气管道发生泄漏。

该弯管尺寸规格为∅273 mm(管径)×10 mm(壁厚)，材料L450QB，弯管弧度半径R=1 090 mm，是热轧外部并采用3PE防腐，弯管出厂前做过水压试验，安装后由于填埋在地下无法进行水压试验。类似问题在基建期间另一机组前置模块入口的弯管也发生过，当时未深入分析，仅进行了更换处理。为防止类似泄漏事故再次发生，保证设备安全运行，对该开裂弯管和同管道直段部分进行组织和性能对比，并进行裂纹扩展机理分析[1]。

1 宏观形貌分析

失效管道为一段弯管，裂纹位于弯管背弧侧，上下两个起弧位置各有1条裂纹。取其中1条天然气弯管裂纹做宏观形貌分析(见图1)，此处裂纹长度在90 mm左右，环向开裂;同时，对该处裂纹附近区域进行打磨处理，并采用ZEISS Stemi 2000-C型体视显微镜对其进行宏观检查，打磨后的裂纹在管壁外环更为明显(如图2所示)，裂纹平直且贯穿内外壁。失效管段没有明显的腐蚀减薄，也没有宏观可见的点蚀。

图1 弯管裂纹宏观形貌

图2 弯管裂纹打磨后形貌

2 化学成分分析

在发生开裂的弯管附近和未发生开裂的远端直段的管道上分别取样，在火花直读光谱仪上进行成分分析，结果如表1所示。

表1 材料成分分析结果 %

从表1中可以看出，开裂弯管裂纹附近和远端直段材料的C含量分别达到0.269%和0.264%，远高于QSY GJX 101—2010《天然气输送管道用钢管通用技术条件》中不超过0.12%的要求。根据该标准要求，对于大于L360或X52、小于L485或X70的钢级，Mn含量最大值不应超过1.75%，Mn含量满足标准要求，其他含量也都满足要求。

3 金相组织分析

分别在开裂弯管裂纹附近和远端直段取样制成金相试样，利用ZEISS Axiovert 200型光学显微镜观察。图3示出开裂弯管内外壁裂纹形貌，可以看出，近外壁较粗，越靠近内壁越细，直至裂纹尖端止于内壁。由此判断裂纹由外壁向内壁扩展，并贯穿整个管壁。

(a)近内壁处

(b)近外壁处

图3 开裂弯管内外壁裂纹形貌

图4示出裂纹放大后组织侵蚀前、后的形貌，可以看出，裂纹沿晶扩展，主裂纹附近有较多细小的微裂纹，且呈分支多道发展形态。图5示出开裂弯管裂纹附近和远端直段的金相组织照片，裂纹附近的金相是马氏体组织，有明显的淬硬组织；裂纹远端的直段金相是铁素体+珠光体组织，但组织不均匀。在另一根未开裂弯管和直管上取样进行金相分析(见图6)，弯管金相是马氏体组织，与开裂弯管裂纹附近金相类似，有明显淬硬组织异化；直管的金相属于正常的铁素体+珠光体组织[2]。

(a)未侵蚀

(b)侵蚀后

图4 裂纹放大后组织侵蚀前和侵蚀后的形貌

4 力学性能分析

分别对开裂弯管裂纹附近和远端直段，以及另一根未开裂弯管和直管取样进行室温拉伸试验，结果显示弯头位置(包括失效弯管和未开裂弯管)的抗拉强度和屈服强度均过高，延伸率只有11%和12%(见表2)，这与图5，6中所示该处是淬硬组织的结果吻合。另外，未开裂弯管的直段位置拉伸试样的抗拉强度和屈服强度均过低，未达QSY GJX 101—2010《天然气输送管道用钢管通用技术条件》中要求。只有开裂弯头裂纹远端直段的拉伸试验结果正常。

对开裂弯管裂纹附近和远端直段，以及未开裂弯管和直段进行显微硬度测试，结果显示失效弯管裂纹附近和远端直段的显微硬度分别为475HV和229HV；未开裂管的弯管和直段的显微硬度分别为495HV和209HV。硬度试验结果与金相分析结果相对应，弯头位置马氏体淬硬组织硬度偏高，应该是弯管热处理工艺不当所致。

表2 力学性能分析结果

5 分析与讨论

经查开裂弯管采取的煨制工艺，需要在一定的加热温度、加热推进速度、加热带宽度、冷却速度下进行。因为此次裂纹位于地下弯管的背弧，由于该处应力集中，若在煨制过程中没有严格执行合理的工艺，将导致材料韧性下降，使得该处缺陷较易脆性开裂、造成泄漏。L450QB钢的原始金相是铁素体+珠光体组织，金相分析显示，弯头位置(包括开裂和未开裂)的组织晶粒较大，板条状马氏体结构明显。怀疑这种淬硬组织的出现与热处理工艺有关，可能是加热过程中温度过高，组织形变成奥氏体后，又淬火+回火成马氏体所致。淬硬组织的出现会使材料的抗拉强度、屈服强度和硬度等异常升高，同时韧性明显下降[3-4]；本次弯管试样拉伸试验结果显示抗拉强度、屈服强度过高和延伸率较低证实了以上论断。

板条状马氏体钢的抗拉强度和屈服强度由多种强化机制决定，包括：纯铁的内摩擦应力；固溶强化增量(主要由C含量决定)；沉淀强化对强度的贡献(取决于析出物的体积分数和大小)；位错对强度的贡献(主要由板条内部的位错和小角度晶界面决定)；还有细晶强化对强化的贡献。主要的强化方式有：固溶强化、位错强化、细晶强化[5-6]。晶粒细化是唯一一种既能提高强度又能提高韧性的强化方式。组织细化后能明显降低韧脆转变温度，提高材料的低温韧性。钢的韧性主要与裂纹的形核、长大以及扩展有关。C含量过高，晶粒中大的夹杂物、碳氮化物等脆性相往往是裂纹优先形核的区域[7]。因此，在热处理过程中要注意控制好脆性相的体积、大小和分布，有利于提高韧性[8-11]。

本文认为,在弯制管道过程中，弯头位置所承受的应力集中加剧，若该处材料金相组织在煨制过程中形成明显的淬硬相和脆性相，裂纹将在此处优先形成。显微硬度试验结果显示，弯头处硬度远高于远端直段硬度，弯管经过不当的热处理工艺后，管材脆性加剧、韧性下降，裂纹受热加速扩展，直至最后裂穿[12]。

6 结语

(1)开裂和未开裂弯管的弯头部位力学性能均不符合要求，硬度偏高，金相结果存在明显的淬硬组织，且C含量超标。碳氮化物等脆性相的形成将诱使裂纹缺陷在此处形核，由于热处理工艺不当,使得管材脆性加剧，韧性下降，受热加剧裂纹扩展，直至最后裂穿泄漏。

(2)严格控制管道质量，建议将该生产厂家同批次的弯管全面更换。后续更换过程中，督促厂家引起足够重视，采取全过程监督和检查措施[13-14]，对弯头部分和更换后产生的焊口进行100%X射线检查，合格后才能投入使用[15-16]。