分享：20钢等径无缝三通开裂原因

李丽锋1,2,陈月娥3,任国琪1,朱丽霞1,武 刚1,罗金恒1

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院,石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,西安710077;2.中国石油大学(华东)储运与建筑学院,青岛257061;3.中国石油新疆油田公司,克拉玛依834000)

摘 要:某等径无缝三通在试压投产过程中支管侧发生开裂,采用形貌、显微组织观察,无损检测,化学成分、力学性能测试等方法分析了其开裂原因。结果表明:该失效三通的开裂位置在支管的环焊缝上,环焊缝是在三通制造阶段产生的,不符合等径无缝三通的生产质量要求;开裂的主要原因是环焊缝上存在严重的未焊透缺陷,随着试压压力增大,未焊透缺陷处起裂并扩展直至穿透剩余壁厚。

关键词:等径无缝三通;未焊透缺陷;开裂;失效中图分类号:TG142 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)06-0074-05

0 引 言

三通是油气输送管道的重要组成部分,主要用于改变管道方向和管径大小,实现管道分支和特殊连接等功能,在油气管道上应用广泛,并逐渐向大口径、大壁厚、高强度方向发展[1-4]。2016年5月,某天然气管线高压阀门配套三通在试投产时发生环向开裂,导致天然气泄漏。该三通为 DN250等径无缝三通,产品执行标准为 GB/T12459-2005,材料为20钢,采用冷挤压工艺成形,热处理状态为正火。该三通主管与支管坡口处外径为273mm,公称壁厚为6.35mm,主管中心线至支管端面的距离为216mm,设计压力为5.6 MPa,失效时管线压力为1~2 MPa。为防止此类三通开裂事件再次发生,作者对其进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 表面宏观形貌

试样原始送检状态为防腐层部分剥离状态。由图1可以看出:开裂位置位于三通支管上,距主管中心线150mm,小于 GB/T12459-2005中等径无缝三通主管中心线至支管端面的距离(216±2)mm;开裂处外表面可见局部下凹,经超声波测量得到开裂处最小壁厚为3.35mm,经确认为开裂后现场人为打磨所致;防腐层完全剥离后,可见开裂位置所在管周方向的内外表面相对平整,主管两端面附近可见环焊缝;开裂处外表面可见长5mm、宽4mm 的孔,孔两侧存在环向裂纹,与外表面孔相对应的内表面存在长2mm、宽1mm 的孔,在两侧明显可见环向裂纹,开裂位置所在环带内表面可见多处金属缺失,呈圆状或条状形貌;三通内、外表面未见塑性变形和腐蚀损伤痕迹。

1.2 无损检测

采用 CJZ-212E型磁粉探伤仪对开裂位置所在环带内、外表面进行磁粉探伤。由图2可以看出,开裂处存在1条环向穿透性裂纹,外表面裂纹长度为45mm,内表面裂纹长度为40 mm,其余位置未见裂纹。采用 XXQ-2005型 X 射线探伤仪对开裂位置所在环带进行 X射线探伤。由图3可以看出,开裂位置所在环带存在严重的金属不连续现象,且在开裂处较严重,表明该处存在严重的金属缺失。

1.3 化学成分

采用 ARL4460型直读光谱仪测试三通主管管体,开裂位置近支管侧、近主管侧管体的化学成分。图2 失效三通开裂位置所在环带内、外表面的磁粉探伤结果Fig 2 Magneticparticleinspectionresultsofouter a andinner b surfacesatcrackinglocationofloopoffailedtee图3 失效三通开裂位置所在环带的 X射线探伤结果Fig.3 X-rayinspectionresultsatcrackinglocationofloopoffailedtee由表1可知,主管管体,开裂位置近支管侧、近主管侧的化学成分均满足 GB/T699-1999标准要求。75李丽锋,等:20钢等径无缝三通开裂原因表1 失效三通的的化学成分 质量分数Table1 Chemicalcompositionoffailedtee massfraction %项目 C Si Mn P S Cr Ni Cu主管管体 0.18 0.25 0.49 0.020 0.007 0.095 0.053 0.084开裂位置近支管侧 0.20 0.26 0.50 0.022 0.007 0.093 0.055 0.091开裂位置近主管侧 0.22 0.27 0.50 0.009 0.006 0.094 0.063 0.084标准值 0.17~0.23 0.17~0.37 0.35~0.65 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25 ≤0.3 ≤0.25

1.4 截面宏观形貌和显微组织

采用线切割在开裂位置附近按照图5所示位置截取全壁厚金相试样,1# 为下凹位置,2# 和4# 为环向裂纹即开裂位置所在环带两侧,3# 为开裂位置,在图1(f)的位置 2 处截取金属缺失试样,标记为5# ,观察截面试样宏观形貌和显微组织。图5 失效三通开裂位置附近金相试样的取样位置Fig.5 Samplingpositionofmetallographicsamplenearcrackinglocationoffailedtee由图6可以看出:环向裂纹、开裂位置、金属缺失位置均位于同一环带,呈明显的焊缝和热影响区特征,表明该环带为环焊缝,各位置均存在明显的孔洞缺陷,孔洞位于焊缝区的填充焊和根焊区域。图6 开裂位置附近的宏观形貌Fig.6 Macromorphologynearcrackinglocation由图7可以看出,开裂位置存在明显的孔洞,孔洞处的剩余壁厚不足1 mm,有效承压壁厚大大减小,为起裂部位。同一环带上裂纹端部、开裂位置、金属缺失位置的组织特征相同,选取2# 试样,对其进行磨抛,采用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀后,在 MeF3A 型光学显微镜和 OLS4100型激光共聚焦显微镜下观察截面显微组织。由图8可以看出,裂纹靠近主管端图7 开裂位置的截面宏观形貌Fig.7 Macromorphologyofsectionofcrackinglocation和支管端母材组织均为铁素体+珠光体,但晶粒度存在明显差异,靠近主管侧的晶粒度为9.5级,靠近支管侧的晶粒度为7.0级,填充焊焊缝组织为铁素体+珠光体,盖面焊焊缝组织为针状铁素体+珠光体+魏氏组织,热影响区组织为珠光体+魏氏组织。

1.5 裂纹面形貌及微区

成分人工打开裂纹后,采用 TESCAN VEGAⅡ 型扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM )及 附 带 的 XFORDINCA350型能谱仪(EDS)观察裂纹面形貌并测试微区成分。由图9和图10可以看出:开裂位置的裂纹面被凸起的块状灰黑色物质完全覆盖,该物质主要由铁的氧化物组成;裂纹面上还存在枝晶状非金属夹渣,其主要成分为氧、铁和钛,同时含有少量硅、铬等,判断其为焊条的药皮成分。1.6 拉伸性能沿开裂位置近主管和支管侧横向截取全壁厚板状拉伸试样,试样宽度和标距分别为25,50mm,根据 GB/T228-2010 在 UTM5305 型 拉 伸 试 验 机上进行室温拉伸试验,拉伸速度 为 5 mm·min-1。由表2可以 看 出,开 裂 位 置 两 侧 管 体 的 拉 伸 性 能均满足 GB/T8163-2008标准要求。

2 开裂原因分析

该失效三通开裂位置距主管中心线的距离小于 GB/T12459-2005中等径无缝三通主管中心线至支管端 面 的 距 离;开 裂 位 置 存 在 严 重 的 金 属缺失;开裂位置近主管和支管侧的化学成分和拉伸76李丽锋,等:20钢等径无缝三通开裂原因图8 裂纹所在环带不同位置的显微组织Fig 8 Microstructuresofdifferentpositionsofloopwithcracks a basemetalnearmainpipe b basemetalnearbranchpipe c fillerweld d coverweldand e heataffectedzone图9 开裂位置的裂纹面形貌Fig 9 Cracksurfacemorphologyofcrackinglocation a macromorphologyand b SEM morphology图10 枝晶状非金属夹渣的 EDS谱Fig.10 EDSpatternofdendriteshapednon-metallicslag性能均满足 标 准 要 求;开 裂 位 置 两 侧 裂 纹 靠 近 主管和支管端 母 材 组 织 均 为 铁 素 体 + 珠 光 体,晶 粒度存在显著 差 异,表 明 开 裂 位 置 两 侧 钢 管 的 生 产工艺不同;开 裂 位 置 所 在 环 带 呈 明 显 的 焊 缝 和 热影响区组织特征,表明该环带为环焊缝,开裂位置表2 失效三通开裂位置近主管和近支管侧的拉伸性能Table2 Tensilepropertiesnearmainpipeandbranchpipesidesofcrackinglocationoffailedtee项目 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断后伸长率/%近主管侧 459 306 33.0近支管侧 516 362 27.5标准值 415~530 ≥245 ≥20位于环焊缝 上;开 裂 位 置 处 的 裂 纹 面 被 灰 黑 色 物质覆盖,该物质主要由铁的氧化物组成,少量为焊条药皮成分 的 疏 松 枝 晶 状 非 金 属 夹 渣,进 一 步 说明开裂点位于环焊缝上。剥离防腐层后,开裂位置整个环带内、外表面呈明显的环焊缝特征,同时经现场确认,与三通支管连接的现场环焊缝在送样时并未截取。因此,判断开77李丽锋,等:20钢等径无缝三通开裂原因裂位置的环焊缝是在三通制造过程中产生的。该失效三通属于等径无缝三通,采用冷挤压成型工艺,生产工序主要包括下料、去毛刺、润滑、冷挤压、应力消除、割通、修整、表面处理、车坡口和无损探伤等。失效三通支管上存在异常环焊缝,不符合等径无缝三通的生产工艺要求。该环焊缝存在严重的金属不连续现象,且开裂位置最严重,存在未焊透缺陷,这进一步表明该三通存在严重的质量问题,制造过程中的无损探伤和质量验收环节未能发挥作用。裂纹附近、开裂位置、金属缺失位置均存在未焊透缺陷,导致三通有效壁厚显著降低,尤其是开裂位置未焊透缺陷尺寸较大,极大降低了三通的承压能力,随着试压压力增大,该位置最先起裂并扩展,直至穿透剩余壁厚,最终导致泄漏[5-6]。

3 结论及建议

(1)该失效三通的开裂位置在支管的环焊缝上,环焊缝是在三通制造阶段产生,不符合等径无缝三通的生产质量要求。(2)开裂的主要原因是环焊缝上存在严重的未焊透缺陷,随着试压压力增大,未焊透缺陷起裂并扩展直至穿透剩余壁厚。

来源：材料与测试网