王修云 王晶 邢云穎 路民旭

安科工程技術研究院（北京）有限公司

 

摘  要： 總結了兩個熱煨彎管開裂失效的典型案例，通過管材材質測試，斷口觀察結合服役環境和受力分析，對失效彎管的開裂進行了根源性分析。分析結果表明，兩個彎管的材質均不滿足標準要求，受彎制工藝的影響，組織發生變化，硬度和強度較原始材料大幅提高，在環境中內部/外部氫及局部應力的影響下，發生氫致開裂，并在應力的作用下繼續擴展失效。提出對管道運行過程中出現的開裂問題，有針對性的展開根源性分析，找出明確的開裂原因，為管道完整性管理和事故預防提供依據。

關鍵詞： 彎管；開裂；失效分析；氫致開裂

 

油氣輸送管道失效可能會造成重大災難性后果，失效事故的發生與材質、腐蝕性環境和受力情況密切相關。在管道系統中容易存在材質缺陷及局部應力集中的位置，例如管道環焊縫、熱煨彎頭等，均是服役過程中較為薄弱的環節。

管道熱煨彎頭在成型過程中，受到熱處理工藝的影響，彎頭部位的組織容易發生劣化，且彎頭處受力復雜，局部存在較高應力，也是服役過程中的高風險位置。分析了兩個典型的熱煨彎頭開裂案例，希望能夠對管線鋼環焊縫失效分析提供一定的參考。

1 失效案例一

某埋地油氣混輸管線2013年建成投運，服役2年后熱煨彎管開裂。該管線設計壓力2.5 MPa、設計運行溫度7 ℃，管線材質為L245 NS，規格為Φ 168×7 mm。輸送介質為油氣水，綜合含水5%，H2S分壓0.168 kPa， CO2分壓0.024 MPa。內防腐采用無溶劑液體雙組份環氧涂料，干膜厚度≥500 μm；外防腐保溫采用防腐漆+黃夾克。

管 段 宏 觀 照 片 如 圖 1 所 示 。 外 裂 紋 長 度 為415 mm，內裂紋長度為410 mm，裂紋長度占圓周的78%，裂紋止于靠近彎管內弧位置。開裂處距離左端焊縫處為210 mm。

1.1 管線材質測試

依照GB/T 9711―2011《石油天然氣工業管線輸送鋼管》要求，對管段取樣進行化學成分、拉伸性能、沖擊、硬度、金相組織等性能檢測與分析，判斷取樣管段理化性能是否滿足標準要求。

化學成分測試結果如表 1所示，其中管材的C元 素和S元素含量高于標準要求。

拉伸試驗結果如表 2所示，其中彎管段的屈服強度和抗拉強度遠高于標準規定的范圍，延伸率遠低于標準規定的最低值。

            

﹣20℃溫度下夏比沖擊試驗結果如表3所示�？梢钥闯鲈摱喂懿膯蝹�樣品沖擊功滿足技術規格書要求，但樣品的平均值未達到技術規格書要求的40 J。

從開裂位置向兩側每隔20 mm分別在內壁和外壁測試5個硬度值，結果如圖 2所示。可以看出彎管段硬度值為32～42 HRC，內層和外層硬度值均遠高于標準和技術規格書要求。

金相組織如圖 3所示，熱煨彎管開裂位置附近為典型的馬氏體組織，外表面馬氏體板條粗大，越靠近管壁內表面，板條束越小。說明彎管在彎制過程中，管外壁的受熱溫度高于其它位置。在金相組織照片中可以明顯觀察到組織中有球狀和條狀夾雜物。能譜分析結果顯示球狀物為CaO-Al2O3系復合夾雜物，如圖 4所示；條狀夾雜為MnS夾雜，如圖 5所示。

                

1.2 斷口觀察

管段宏觀開裂照片如圖 6（a）所示， 從開裂斷口的形態上看， A點位置斷口平齊，其他區域在靠近表面位置存在與斷裂面呈一定角度的剪切唇。 A點在彎管上的位置如圖 6（b）所示，位于管段外側弧區域。沿裂紋打開后A點位置斷口照片如圖 6（c）所示，從圖中可以看出， A點位置斷口上有明顯的放射狀形貌，判斷此處為裂紋的起源位置。

A點位置的顯微照片如圖 7所示，其中圖 7（a）和（b）為除銹前的微觀形貌，從圖中可以看出，管 段外表面存在腐蝕凹坑。腐蝕產物的能譜測試結果見圖 7（c），主要是Fe的氧化物，并存在Ca、 Cl等元素，說明服役過程中管段外表面在土壤環境下發生了外腐蝕。外腐蝕凹坑處產生應力集中，裂紋在該位置處萌生。圖 7（d）為斷口除銹后的表面照片，圖 7（e）和（f）為斷口的截面照片，從圖中可以明顯看出裂紋起源點附近存在沿晶的二次裂紋，為典型的氫致開裂裂紋特征。

1.3 殘余應力測試

使用μ-X360n型殘余應力測試設備，對圖 6中的A位置進行殘余應力測試。測試結果表明該處外表面為拉應力，殘余應力為279～300 MPa；內表面為壓應力，殘余應力為﹣200 MPa；表明彎管在制管過程中存在較高的殘余應力（一般認為殘余應力＜100 MPa對于管材無明顯影響），如果表面有微小的缺陷，容易在缺陷位置造成應力集中。此外，彎管外表面殘余應力為拉應力，內表面為壓應力，在含氫服役環境下，外表面更容易起裂。

1.4 氫含量測試

分別在裂紋源附近（A點）和遠離裂紋位置取樣，使用升溫脫氫分析設備（Thermal DesorptionSpectroscopy， TDS）對兩個位置樣品中氫隨溫度溢出曲線及氫含量進行測試。測試結果如圖 8所示，不同條件下的釋氫曲線均存在兩個峰值，第一個峰值出現在100 ℃附近，第二個峰值出現在400 ℃附近，根據釋氫曲線將測試獲得的氫分為兩部分，一部分為較低溫度逸散出的可擴散氫，另一部分為達到較高溫度后才能擺脫束縛散逸出來的陷阱氫。對釋氫曲線進行積分，起裂源處可擴散氫為0.025 mg/kg（ppm），陷阱氫為0.052 mg/kg（ppm）；遠離裂紋位置可擴散氫為0.005 mg/kg （ppm），陷阱氫為0.045mg/kg（ppm）。從測試結果可以看出，起裂源位置的可擴散氫含量和陷阱氫含量均高于遠離裂紋位置，其中，起裂源處的可擴散氫含量比遠離裂紋位置的值高出一個數量級。管道內部含有硫化氫介質，提供了氫的來源，氫容易在應力集中位置富集，裂紋源位置的氫含量升高，進一步證明了起裂過程中氫的作用。

1.5 失效原因分析

彎管的C元素和S元素超出標準要求，彎曲部位的金相組織為馬氏體，其硬度和強度遠高于標準范圍，單個試樣的沖擊韌性低于標準要求，彎管的屈服強度達到1 000 MPa以上，已經超過了原始L245 NS鋼管強度，具有較高的氫脆敏感性。彎管的彎曲部位和開裂位置附近還存在大量MnS及氧化物等非金屬夾雜，該類缺陷的存在能夠進一步提高材料的開裂敏感性。

彎管的裂紋起源于外彎側外表面處的腐蝕凹坑，起裂位置表現為脆性斷口形貌，并觀察到二次裂紋的存在，呈現典型的氫脆型斷口特征，且彎管起裂點處可擴散氫比其他位置高出一個數量級，說明氫參與了裂紋的起裂和擴展過程。

彎管外彎側存在一定的殘余拉應力，在服役過程中還會受到溫度變化導致的熱漲載荷、內壓作用導致的泊松效應、介質壓力產生的軸向應力以及土壤摩擦力等載荷的作用，在腐蝕凹坑位置會產生應力集中，管道內部的H2S介質提供了氫來源，氫在應力集中位置富集，能夠顯著降低彎管材料的開裂門檻 值，造成起裂并發生擴展，當裂紋擴展到一定程度后剩余壁厚無法承載管道壓力而導致快速撕裂。

綜上所述，彎管是在服役過程中，外表面的腐蝕凹坑在材質問題、局部應力集中效應和內部H2S介質提供的氫的共同影響下引起的開裂失效。彎管材質不滿足標準要求，具有高氫脆敏感性，在服役環境中的氫和應力作用下發生環境敏感開裂，是失效的主要原因。

2 失效案例二

某埋地天然氣管線運行16年后熱煨彎管位置發生泄漏，裂紋長度約20 cm。該管線設計壓力15 MPa，材質為16 Mn，規格為Φ 273×16 mm，無縫鋼管。彎管外部防腐采用帶無溶劑環氧底漆的三層結構敷設交聯聚乙烯搭接熱縮套，整條管線配有外加電流陰極保護措施。

2.1 管線材質測試

依照GB/T 1591―2008《低合金高強度結構鋼》要求（生產廠家依據GB/T 6479―2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》、 SH 3408―1996《鋼制對焊無縫管件》），對管段取樣進行化學成分、拉伸性能、沖擊、硬度、金相組織等性能檢測與分析，評判取樣管段理化性能是否滿足標準要求。取樣位置均靠近開裂處。

16 Mn是舊國標GB/T 1591―1988中低合金高強度結構鋼牌號，新國標GB/T 1591―2008中為Q345B（Q345有5個質量等級， Q345A~Q345E）。化學成分測試結果如表 4所示，，其中管材的C含量和Si含量略高于標準要求，該成分的增加使材料的屈服強度和抗拉強度升高，其他化學成分符合標準要求。

            

拉伸試驗結果如表5所示，其中鋼管的屈服強度滿足標準要求，抗拉強度超出標準要求范圍。

﹣20℃溫度下夏比沖擊試驗結果如表 6所示，管材的沖擊功均滿足標準要求。

            

開裂位置附近的硬度測試結果如表7所示，開裂彎管外表面的硬度測試結果高于標準要求。

金相組織如圖 9所示，熱煨彎管外層組織為典型的魏氏組織，并存在少量馬氏體，晶粒粗大，為彎制過程熱輸入效應下，奧氏體晶粒長大后，在較快的冷卻速度下形成的鐵素體針片+珠光體組織，組織的綜合性能較差，韌性降低，脆性增加，開裂敏感性增加。與外層和中間層組織相比，內層組織較為均勻，以鐵素體和珠光體相為主。

2.2 斷口觀察

沿裂紋打開后斷口照片如圖 10所示，圖中P1位置位于整個裂紋的中間（圖中的斷口占整個裂紋的2/3），斷口形貌可以分為三個明顯區域，靠近管段 外表面平齊的A區，位于管壁中心的B區和靠近內表面處較為光滑并與斷口呈一定角度的C區。

在掃面電鏡下觀察，在管壁外表面P1和P2處發現裂紋起源點，如圖 11所示，起源點位于亞表面，從外向內呈放射狀擴展。將斷口放大后觀察到A區為典型的沿晶斷口，并伴有二次裂紋，屬于典型的氫脆型斷口，如圖 12所示。 B區為A區裂紋擴展后產生應力集中，應力作用下的準解理斷口， C區為最后快速斷開的剪切唇。

            

2.3 失效原因分析

彎管的C元素和Si元素超出標準要求，彎管外彎側外表面的金相組織為魏氏體組織，其硬度和拉伸性能也遠超出標準要求范圍，為制管過程導致的材料缺陷。彎管的抗拉強度達到805 MPa，已經超過了原始16 Mn鋼管強度，達到高強鋼范疇，具有較強的氫脆敏感性。

管段采用外加電流陰極保護，陰極保護測試結果顯示管道陰保水平較好，陰極保護電位較負。通常情況下，管線鋼的析氫電位在0.9 Vvs.CSE作用，當陰極保護電位負于析氫電位后，陰極會發生析氫反應，陰極析出氫原子一部分會結合成氫氣散逸到空氣中，另一部分進入到材料內部。

同案例一，熱煨彎管外表面存在一定的殘余拉應力，在服役過程中還受熱漲載荷、泊松效應、軸向應力以及土壤摩擦等載荷的作用，在彎管位置局部應力集中。氫在應力集中位置富集，造成起裂并發生擴展，當裂紋擴展到一定程度后剩余壁厚無法承載管道壓力而導致快速撕裂。

綜上所述，彎管是在服役過程中，在材質問題、局部應力集中效應和外部陰極保護提供的氫的共同影響下引起的開裂失效。彎管材質不滿足標準要求，具有較高的氫脆敏感性，在服役環境中的氫和應力作用下發生環境敏感開裂，是失效的主要原因。

3 結論

通過對兩個失效熱煨彎管的管材材質測試，斷口測試結合服役環境和受力分析，對失效彎管的開裂進行了根源性分析。分析結果表明，兩個彎管的材質均不滿足標準要求，受彎制工藝的影響，組織發生變化，硬度和強度均大幅提高，在環境中內部/外部氫及局部應力的影響下，發生開裂，并在應力的作用下繼續擴展失效。

兩個失效案例表明，即使是低鋼級管材，如果成型和加工過程中引入了材質缺陷，在內部含氫或外部存在陰極保護等可提供氫的環境條件下，也會發生開裂。對于高鋼級管材，特別是存在缺陷的環焊縫位置，其開裂敏感性更高。為保證管道的安全運行，需要對管道運行過程中出現的開裂問題，有針對性的展開根源性分析，找出明確的開裂原因，為管道的完整性管理和事故預防提供依據。

 

作者：王修云，女， 1979年生，高級工程師， 2004年碩士畢業于清華大學化學工程與技術專業，安科工程技術研究院總經理，長期從事油氣管道完整性及安全相關工作。