某成品油管道环焊缝泄漏原因分析

2021-07-03刘奎荣任国琪王高峰

焊管 2021年6期

刘奎荣，任国琪，王高峰，张皓

（1. 中国石油西南管道公司，成都610041;2. 中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077）

1 失效概况

油气管道输送是石油和天然气输送的重要方式之一，对于管道来说，环焊缝是薄弱环节，由于气候条件不同、管口组对的偏差、焊工技术水平等因素的影响，会造成管道环焊缝的质量偏差，若环焊缝存在焊接缺陷，或焊接成形不良，就容易导致管道在环焊缝处失效，造成人员、财产损失。

在对国内兰成渝管道K675+850 处进行内检测开挖验证过程中，发现弯管与直管段连接焊缝处存在轻微渗油，该管道为Φ508 mm×7.9 mm 螺旋埋弧焊管，材质为L415，设计压力10 MPa，输送介质为成品油，常温运行。管道采用3PE 防腐，弯管规格Φ508 mm×9.5 mm，弯管角度24°，管线运行17 年。对该泄漏环焊缝进行切割更换，并送至实验室对环焊缝泄漏原因进行分析。检测分析项目包括管段宏观检测、无损检测、理化性能检测、金相分析和断口分析。

2 管材宏观检测

2.1 送样管段概况

管段试样如图1 所示。泄漏环焊缝距离直管段端口约100 cm，环焊缝补口防腐层已去除，其他位置防腐层存在破损。

图1 送样管段实物照片

2.2 钢管宏观检测

将钢管外防腐层去除，打磨浮锈后，测量环焊缝余高、错边、焊缝宽度值，焊缝外表面基本整齐均匀。观察焊缝内表面、管体内表面及环焊缝位置，基本呈均匀腐蚀形貌，在内表面12 点钟部位存在较大的焊瘤，如图2 所示，焊瘤环向长度90 mm，最大高度8.2 mm，比管壁自身厚度还大，说明内表面成形质量差。

图2 环焊缝12 点方位内部焊瘤形貌

3 环焊缝无损检测

依据SY/T 4109—2017 《石油天然气钢质管道无损检测》，对泄漏环焊缝进行磁粉检测和X 射线检测。磁粉检测发现，泄漏环焊缝外表面裂纹长度为52 mm，裂纹正好位于环焊缝内表面焊瘤处，如图3 所示。 X 射线检测发现，泄漏环焊缝12 点位置有一处超标缺陷，显示为裂纹缺陷，长度82 mm，评定等级为IV 级，结果如图4 所示。

图3 泄漏环焊缝磁粉检测结果

图4 泄漏环焊缝射线检测结果

4 环焊缝性能试验

为了分析环焊缝性能，依据GB/T 31032—2014 《钢质管道焊接及验收》，在远离失效部位和失效部位附近取样进行拉伸、夏比冲击性能试验，并对环焊缝取样分析金相组织情况。

4.1 拉伸性能试验

采用UH-F500KNI 材料试验机，依据GB/T 228.1—2010，对环焊缝0～3 点、 3～6 点、 6～9 点、9～0 点以及裂纹附近环焊缝进行拉伸性能试验，试样形式为矩形试样，试验结果见表1。对照标准可知，环焊缝各位置拉伸性能满足标准要求。

表1 环焊缝拉伸性能试验结果

4.2 夏比冲击试验

采用ZBC2752-B 型冲击试验机，依据GB/T 229—2007，对环焊缝0～3 点、 3～6 点焊缝中心、热影响区进行夏比冲击试验，试验温度与管体夏比冲击试验相同，取0 ℃，试验结果见表2。对比标准可知，环焊缝夏比冲击功值符合要求。

表2 环焊缝夏比冲击性能试验结果 J

4.3 金相分析

采用OLS 4100 激光共聚焦显微镜，依据GB/T 13298—2015，对环焊缝3 点、 6 点以及裂纹附近（12 点附近）环焊缝进行金相组织分析，由分析结果可知， 3 点、 6 点以及裂纹附近盖面焊组织均为粒状贝氏体，打底焊组织均为珠光体+铁素体+晶内成核铁素体，填充焊组织均为珠光体+铁素体+粒状贝氏体，裂纹附近环焊缝晶粒度与3 点、 6 点位置基本相同。

在失效裂纹附近环焊缝试样中发现多处微裂纹，微裂纹周边存在脱碳现象。微裂纹金相照片如图5 所示。

图5 失效裂纹附近微裂纹形貌

裂纹尖端金相照片如图6 所示，由失效裂纹尖端金相组织可见，失效裂纹尖端及附近金相组织无异常，裂纹断裂形式为沿晶断裂。

图6 失效裂纹尖端金相组织

5 断口分析

5.1 断口宏观形貌分析

对该成品油管道环焊缝泄漏处进行断口分析，发现泄漏部位位于环焊缝焊瘤位置，对泄露位置断口进行取样观察，断口宏观形貌如图7所示。从图7 所示泄露断口及附近可见清晰焊接弧纹，弧纹交汇位置正位于裂纹中心，此处为焊接施工起弧、收弧位置，该位置存在较大焊瘤，可能为焊接热输入过大或焊接停留时间过长导致。

图7 泄露位置断口宏观形貌

5.2 断口扫描电镜分析

对失效样管断口附近裂纹的横截面及断口进行扫描电镜分析，分析结果如图8 所示，由图8 可见，裂纹起源于环焊缝内表面焊趾根部，沿焊趾根部向焊缝中心扩展，由于泄露时间较长，断口表面腐蚀严重，断口表面已被致密黑色物质覆盖，无法看出脆性断裂或韧性断裂特征。

图8 断口附近裂纹及断口形貌

5.3 断口能谱分析

分别对断口表面夹杂物、无夹杂断口表面以及未打开断口的裂纹剖面内部进行能谱分析，能谱分解结果表明，断口表面主要成分为C、 Fe、O，为断口长时间受成品油浸泡所致，断口无焊接药皮夹杂成分。具体能谱分析结果见图9。

图9 断口能谱分析结果

5.4 结果分析

裂纹位于环焊缝12 点钟焊接起弧、收弧位置，该位置环焊缝内表面成形质量差，内表面存在较大焊瘤，裂纹与焊瘤位置高度重合。金相观察中还发现失效裂纹附近存在多处微裂纹，微裂纹周边存在脱碳现象。由微裂纹形貌和裂纹周围金相组织可知，这些微裂纹为焊接热裂纹。

焊接热裂纹是焊接过程高温阶段产生的开裂现象，多在固相线附近发生，其特征是沿奥氏体晶界开裂。在焊接过程中，材料的晶间延展性较弱，无法承担当时材料所发生的应变。在这种固液共存的状态下，会萌生热裂纹，当温度冷却后，裂纹就会沿着结晶的交界处产生并扩展。产生焊接热裂纹的因素主要包括有害杂质的影响（主要为S 和P）和焊接工艺的影响（例如熔合比、焊接速度、焊接线能量、冷却速度等）。同时，热裂纹附近出现脱碳也表明该位置环焊缝焊接时焊接温度过高，或焊接时在该位置停留时间过长。