分享：直缝埋弧焊钢管穿孔原因

张 乐,丛 深,韩 军,余 志,王亚龙

(中国石油集团工程材料研究院有限公司,西安 710077) 

摘 要:某在用管道在试压过程中发生穿孔泄漏,采用宏观观察、化学成分分析、力学性能试验、 金相检验、扫描电镜分析等方法进行了研究。结果表明:该钢管穿孔的主要原因是管体外表面受到 高温烧伤,且在试压前管体外表面已经烧伤穿透,进而钢管在试压过程中发生泄漏。

关键词:直缝埋弧焊;钢管;穿孔 

中图分类号:TG172;TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)06-0050-04

2019年,某地一段直缝埋弧焊钢管在试压作业 时发生穿孔泄漏,给正常生产造成极大影响[1-2]。该 直缝埋弧焊钢管的规格(外径×壁厚)为406.4mm× 10.3mm,材料为 L415M 钢,在钢管外防腐层经打 磨后,管体区域没发现明显点蚀痕迹,且整个管段内 未见明显塑性变形。笔者采用宏观观察、化学成分 分析、力学性能试验、金相检验、扫描电镜(SEM)分 析等方法对穿孔钢管进行了研究。

1 理化检验

1.1 宏观观察 

穿孔直缝埋弧焊钢管的宏观形貌如图1所示。 管体为直缝管,在管体中间部位有一处圆形孔洞,局 部放大观察,发现穿孔呈现“外粗内细”的现象,可推 测此处穿孔刺漏应该是由外向内造成的,并且管体 内壁和外壁均未出现壁厚减薄现象。 截取管体穿孔区域并制作试样,测得穿孔孔洞 外表面直径约为7 mm,穿孔处内表面呈现金属堆 积现象,存在凸起,且附近也未发现明显点蚀痕迹。 管样外壁穿孔形貌经局部放大后,发现孔洞内壁仍 存在部 分 青 蓝 色 防 腐 喷 漆 的 环 氧 粉 末 痕 迹 [见 图 1e)],说明该穿孔形成于防腐工序之前。

1.2 壁厚测量 

采用测厚仪对穿孔周围区域壁厚进行测量,测 量间距为50mm,测量点具体位置如图2所示,测 量结果如表1所示。由测量结果可知,该钢管壁厚 分布均匀,符合 GB/T9711—2017 《石油天然气工 业管线输送系统用钢管》标准中的规定。

1.3 化学成分分析 

在钢管管体制取试样,应用 ARL4460型直读 光谱仪对其化学成分进行分析,结果如表2所示。 由检测 结 果 可 知,该 钢 管 的 化 学 成 分 符 合 GB/T 9711—2017标准的要求。

1.4 金相检验 

从钢管管体及穿孔处附近取样,对试样进行金 相检验,其显微组织形貌如图3所示,焊缝处的检测结果如表3所示。该钢管管体组织为多边形铁素体 (PF)与珠光体(P),晶粒度为11.5级,带状组织为 0.5级,非金属夹杂物等级为 A0.5,B0.5,D0.5级;焊 接接头的焊缝组织为针状铁素体(IAF)、粒状贝氏体 和多边形铁素体,熔合区组织为粒状贝氏体,细晶区 组织为多边形铁素体和马氏体-奥氏体小岛(MA)。 

在穿孔处附近沿穿孔边界纵向取样,发现其显 微组织均有明显的热影响区(见图4),表明该区域 发生了局部高温现象,使组织发生变化且变得不均 匀,其中包括粗晶区与过渡区,观察可发现,沿穿孔 边界区域与粗晶区有马氏体组织。由显微硬度测试 结果可知:该处组织的硬度明显高于周边区域,可证 实为马氏体组织,马氏体组织的出现进一步证明了 管体表面发生了局部高温现象。未受热区组织主要 包括多边形铁素体与珠光体。 

1.5 力学性能及硬度测试 

从该钢管管体及焊接接头处取样,分别进行拉伸、 夏比冲击、导向弯曲及维氏硬度试验,维氏硬度试验压痕 位置如图5所示,拉伸、夏比冲击、导向弯曲及维氏硬度 试验结果分别如表4~7所示。结果表明,该钢管力学性 能及硬度均符合GB/T9711—2011标准的要求。 

1.6 扫描电镜分析 

在钢管穿孔处取样,经醋酸纤维+丙酮试剂清 洗后,采用扫描电子显微镜及能谱分析仪对试样外 表 面进行微观形貌观察及能谱分析。钢管穿孔处的SEM 形貌如图6所示,可见穿孔外表面平整,无明 显塑性变形特征,局部放大可见有轻微的腐蚀产物 覆盖,能谱分析结果如图7所示,结果表明:穿孔处 表面主要为 Fe,O 元素,以及Si,K 和 Ca元素,此外 还存在少量 Mn元素。

2 综合分析 

由理化检验结果可知,钢管的化学成分和力学 性能均符合 GB/T9711—2017标准的要求。几何 尺寸测量结果表明:该钢管的壁厚分布均匀,说明试 样 无明显点蚀痕迹,且整个管段内未见明显塑性变形。由于该钢管是在投入使用前的试压阶段发生穿 孔失效的,因此可排除管体内表面受腐蚀介质等因 素产生的腐蚀穿孔[3-5]。 金相检验结果表明,该钢管组织为多边形铁素 体+珠光体,晶粒度为11.5级,非金属夹杂物等级 为 A0.5,B0.5,D0.5级。穿孔处附近组织包括粗晶 区与过渡区,其中粗晶区组织粗大且不均匀,沿穿孔 边界区域发现有大片板条状马氏体组织,马氏体组 织是由管体表面受到高温,当温度上升到淬火温度 后冷却形成的。穿孔边界不同位置均发现有明显的 组织受热区,同时还发现马氏体组织分布在整个壁 厚方向,说明高温覆盖了管体的整个壁厚方向。管 体穿孔完全贯穿且垂直于壁厚方向,穿孔呈现“外粗 内细”的形貌,穿孔处内表面存在明显的金属融化堆 积现象,由此可推断该失效钢管外表面受到高温电 焊气割烧伤。

3 结论与建议

(1)该直缝埋弧焊钢管的尺寸、化学成分、力学 性能等均符合 GB/T9711—2017标准的要求。 (2)该直缝埋弧焊钢管穿孔处组织明显受过高 温,并产生热影响区及马氏体组织,穿孔的原因是管 体外表面发生高温烧伤。 (3)建议在焊接作业时,保护好作业区域外的 钢管表面,避免产生烧伤;建议对该条管线进行检 测,以排查是否存在类似风险。

参考文献: [1] 张航.直缝埋弧焊管常见缺陷产生原因及 预 防 措 施 [J].石化技术,2019,26(10):224,226. [2] 田嘉治,吕庆钢,羊东明,等.集输管内腐蚀失效原因 分析[J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2013,49(12):843- 847. [3] 宋成立,付安庆,林冠发,等.某油田地面管线腐蚀穿 孔分析与治理[J].焊管,2016(2):56-59. [4] 刘凯,马丽敏,陈志东,等.埋地管道的腐蚀与防护综 述[J].管道技术与设备,2007(4):36-38,42. [5] 吉楠,廖臻,朱辉,等.某输油管道腐蚀穿孔原因[J]. 理化检验(物理分册),2021,57(1):61-65.