某城市埋地輸油管道材料為25號鋼,管道由無縫鋼管和沖壓彎頭焊接而成,設(shè)計壓力為0.6 MPa,規(guī)格為273.1 mm×7.1 mm（長度×外徑）,彎頭角度為90°,安裝條件為R=5D（R為管線彎曲部分安裝半徑,D為彎管直徑）。該彎管服役約10個月后,在焊接彎管處開裂并發(fā)生泄漏現(xiàn)象。 

筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡（SEM）分析、金相檢驗等方法對焊接彎管開裂的原因進(jìn)行分析,并提出了改進(jìn)建議,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

埋地輸油管道焊接彎管開裂現(xiàn)場如圖1所示。由圖1可知：開裂處位于焊接彎管處；管道底部懸空,基體被沖散。經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),該管道前側(cè)排水系統(tǒng)之前發(fā)生泄漏,導(dǎo)致管道底部基土被沖散,焊管受上方管道擠壓,在沖壓彎頭附近發(fā)生彎曲變形。 

圖  1  埋地輸油管道焊接彎管開裂現(xiàn)場

將焊接彎管處剖開,焊接彎管開裂處宏觀形貌如圖2所示,整段裂紋沿焊縫環(huán)形分布,裂紋源在焊縫附近,裂紋長度約為80 mm,且穿透管壁。在裂紋兩端沿垂直于裂紋方向?qū)摴茕忛_,從而打開斷口,斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷口幾乎沒有發(fā)生塑性變形,呈一次性脆性開裂形貌特征,裂紋從焊管外表面起始,裂紋源處未見異常原材料缺陷。 

圖  2  焊接彎管開裂處宏觀形貌

圖  3  裂紋打開后斷口宏觀形貌

1.2   SEM分析

將裂紋打開后的斷口置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。在裂紋源處未見異常缺陷。圖5是擴(kuò)展區(qū)SEM形貌,該區(qū)域微觀形貌特征以沿晶開裂為主[1]。 

圖  4  裂紋源區(qū)SEM形貌

圖  5  擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

1.3   化學(xué)成分分析

在無縫鋼管和沖壓彎頭上各自取樣,對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：該焊接彎管A處（無縫鋼管）材料為25號鋼,B處（沖壓彎頭）材料鉻元素含量較高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.6%。較高的鉻元素含量使得該材料淬透性較好,在焊接冷卻后容易形成馬氏體,裂紋敏感性較大,不適合作為焊接彎管的選材。 

1.4   金相檢驗

在開裂的焊接彎管上取截面,制成金相試樣,用硝酸乙醇溶液腐蝕,圖6為無縫鋼管熱影響區(qū)顯微組織形貌。由圖6可知：該處組織為珠光體+針條狀鐵素體,具有魏氏組織傾向。圖7是無縫鋼管母材區(qū)顯微組織形貌,組織為珠光體+等軸鐵素體,鐵素體晶粒較細(xì),根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》,其晶粒度級別為9級。沖壓彎頭側(cè)熱影響區(qū)和母材區(qū)白色光亮,未見明顯腐蝕痕跡,說明該區(qū)域材料耐蝕性較好,這與化學(xué)成分分析結(jié)果相符。沖壓彎頭處鉻元素含量較高,屬于馬氏體不銹鋼,因此使用硝酸乙醇無法腐蝕。使用王水溶液對該區(qū)域進(jìn)行腐蝕,沖壓彎頭熱影響區(qū)組織為馬氏體（見圖8）,晶粒度級別為7級。圖9是沖壓彎頭母材區(qū)顯微組織形貌,為球化珠光體+鐵素體。 

圖  6  無縫鋼管熱影響區(qū)顯微組織形貌

圖  7  無縫鋼管母材顯微組織形貌

圖  8  沖壓彎頭熱影響區(qū)顯微組織形貌

圖  9  沖壓彎頭母材顯微組織形貌

1.5   硬度測試

分別對焊縫區(qū)、沖壓彎頭熱影響區(qū)、母材區(qū)進(jìn)行維氏硬度測試,沖壓彎頭熱影響區(qū)硬度達(dá)到424 HV0.5,遠(yuǎn)大于母材區(qū)（198 HV0.5）和焊縫區(qū)（210 HV0.5）,這是由于焊接彎管在焊接冷卻后生成脆而硬的馬氏體。 

2.   綜合分析

該彎管鋪設(shè)位置為土質(zhì)結(jié)構(gòu),彎管兩頭的直管處于固定狀態(tài),經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),該管道前側(cè)排水系統(tǒng)之前發(fā)生泄漏,導(dǎo)致管道底部基土被沖散,此外挖掘和安裝也會導(dǎo)致彎管部位土質(zhì)變松軟,臨近路面修復(fù)過程中,重載工程車碾壓會使彎管部位承受較大載荷,向下產(chǎn)生微小位移,重載車輛經(jīng)過后彎管又恢復(fù)到原始位置[2]。彎管下方無土質(zhì)支撐,且需要承受自身管道和上方土質(zhì)的質(zhì)量,在彎管下方會持續(xù)承受壓力。 

經(jīng)過化學(xué)成分分析,焊接彎管材料為馬氏體不銹鋼,鉻元素含量高達(dá)8.60%,使該材料淬透性極高,導(dǎo)致焊接后容易在熱影響區(qū)形成硬而脆的馬氏體,因此該材料焊接性能較差[3]。開裂焊接彎管熱影響區(qū)存在硬而脆的馬氏體,而高硬度的馬氏體氫脆敏感性較大,在受到持續(xù)拉伸應(yīng)力的作用下,極易發(fā)生氫致延遲性斷裂[4]。馬氏體含有較多晶界和位錯缺陷,是一種非平衡組織,其引發(fā)氫脆的概率遠(yuǎn)高于其他組織[5],由于氫在馬氏體相中的擴(kuò)散系數(shù)比在鐵素體中低,加之具有大組織應(yīng)力特征,極易發(fā)生氫致斷裂。導(dǎo)致氫致斷裂的氫氣來源主要有兩種：內(nèi)部氫和外部氫。內(nèi)部氫是因為金屬材料在冶煉、焊接等加工過程中吸收了氫氣；而外部氫是因為在泥土潮濕環(huán)境下,氫濃度較高,氫氣以原子形式滲入鋼中,被鋼的基體溶解吸收,形成分子氫的富集,造成氫脆。氫濃度隨著空氣濕度的增加而增加,高強(qiáng)度馬氏體鋼在濕度不小于30%的空氣環(huán)境下就存在氫致斷裂的風(fēng)險。? 

3.   結(jié)論

（1）該開裂埋地輸油管道由無縫鋼管和沖壓彎頭焊接而成,無縫鋼管材料符合25號鋼的國標(biāo)要求,而沖壓彎頭材料鉻元素含量高達(dá)8.60%,屬于馬氏體不銹鋼,其焊接性能較差。 

（2）該埋地輸油管道彎管前側(cè)排水系統(tǒng)之前發(fā)生泄漏,彎管底部基土被沖散,彎管下方無土質(zhì)支撐,彎管下方會持續(xù)承受壓力。 

（3）該埋地輸油管道開裂呈沿晶擴(kuò)展特征,具有氫致延遲性斷裂特征。 

（4）導(dǎo)致埋地輸油管道氫致延遲性開裂的主要原因與沖壓彎頭選材不當(dāng)有關(guān),建議選擇25號鋼進(jìn)行替代,可適當(dāng)增加彎頭的壁厚,避免介質(zhì)沖刷彎頭帶來的減薄風(fēng)險,或者優(yōu)化焊接工藝,避免魏氏組織的形成。此外,彎管前側(cè)排水系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致彎管底部基土被沖散是導(dǎo)致開裂的直接原因。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)