某天然气输送管爆裂失效分析

韩晓毅　张平生　冯耀荣

　　摘　要　对某输气管爆裂原因进行分析,结果表明硫化物应力腐蚀是输气管爆裂的根本原因;补焊工艺不当使焊缝产生了马氏体组织及高的残余应力,增大了焊区应力腐蚀敏感性.
　　关键词　管道 断口 焊缝 补焊 应力腐蚀
　　学科分类号　TG172.9

FAILURE ANALYSIS OF A BURST FOR A NATURAL GAS PIPELINE
HAN Xiaoyi, ZHANG Pingsheng, FENG Yaorong
（Tubular Goods Research Center,CNPC. Xi'an 710065）

　　ABSTRACT A natural gas pipeline ruptured suddenly along the spiral-weld seam under normal operation pressure. Investigation and laboratory examination indicated that the cracking was caused by sulfide stress corrosion cracking (SSCC). The examination results showed that martensite and high residual stress due to welding process by repair increased the susceptibility to SSCC
　　KEY WORDS pipe, weld seam,stress corrosion cracking

　　国内某天然气输送管线在运行过程中发生爆裂,当时管道工作压力为1.9～2.5 MPa.爆裂管道呈纵向17°缓坡,爆口距变坡点约1 m,爆裂处管道埋敷深约15 m.该段管线为720 mm×8 mm螺旋焊管,设计压力为4.0 MPa, 已运行16 a,最高工作压力曾达到3.3 MPa.截取的爆管分析样品如图1所示.

Fig.1 The appearance of cracked pipe

1 宏观分析
　　爆裂管为螺旋缝双面埋弧焊管(SSAW),测量平均壁厚约为7.6 mm,螺旋角约为60°,裂口长度约1440 mm.裂口沿焊缝从距管底约20°到220°.管内壁腐蚀较均匀,没有明显蚀坑.
　　全部断口因保存不当锈蚀十分严重,宏观观察断口在管内侧基本沿着内焊道一侧的焊趾,在管外侧沿着外焊道焊缝.整个断口附近未发现明显壁厚减薄现象,基本为脆性开裂.裂口中段部分区域沿内焊道熔合区有与焊缝平行的裂纹分布.

2 材质分析
　　化学成分 分别在管体母材和焊缝取样用直读光谱仪和红外碳硫分析仪作化学成分分析,结果见表1.

Table 1 The chemical compsition(wt%)

Fig.2 The appearance of tensile fracture

Table 2 Mechanical properties of weld seam

3 微观分析
　　爆裂断口锈蚀严重,无法观察到真实形貌.从图2所示拉伸断口上取样作扫描电镜分析,棕黑色原始断口为沿晶形貌,断口表面有污物,形貌如图3所示.

Fig.3 The micro-features of the original crack

　　管体母材金相分析 管体母材显微组织为块状铁素体＋针状铁素体＋珠光体,组织呈带状分布.
　　全焊缝金相分析 在远离断口的完好焊缝处取样作剖面分析,可见有内外两个焊道,焊区未发现裂纹.内外焊道显微组织均为柱状铁素体＋针状铁素体＋无碳贝氏体＋珠光体,熔合区显微组织为:上贝氏体＋铁素体＋珠光体,热影响区显微组织为：铁素体＋珠光体.测试显微硬度,焊缝为HV_0.1251,熔合区为HV_0.1262,热影响区为HV_0.1215.
　　爆裂断口金相分析 从原始裂纹处取样作剖面分析（图4）,可见内焊道有两层,即有一补焊层,补焊层熔合区有原始裂纹,裂纹内有腐蚀产物,补焊焊缝熔合区组织如图5所示,管体侧热影响区组织为低碳马氏体＋上贝氏体,其HV_0.1为433 ,补焊焊缝组织为铁素体＋珠光体＋上贝氏体,其Hv_0.1为275.

Fig.4 The microstructure of weld seam with original crack at low magnification

Fig.5 The microstructure of repaired welding seam (200×)

　　拉伸试样金相分析 在图2所示拉伸试样断口上取样作剖面分析,也发现内焊道有补焊层,原始裂纹在补焊熔合区,在另一侧补焊熔合区也有一原始裂纹,裂纹内壁有腐蚀产物,裂纹尖端呈断续状.
　　腐蚀产物能谱分析 对原始断口及前述原始裂纹分别进行X射线能谱分析,均发现有较高的含硫量,分析结果见图6.

Fig.6 The result of X-ray energy spectrometer analysis

4 分析讨论
　　爆管表面有凹陷说明该管道埋敷回填质量较差,加之埋覆较深,且该处管道有17°纵向角,地层作用会引起管道较大的轴向应力,从而使管道实际承受的应力,大于由内压引起的正常工作应力.
　　爆裂断口和拉伸试样断口剖面分析都说明,内焊道补焊熔合区及热影响区有原始裂纹存在,分析认为该原始裂纹为硫化物应力腐蚀裂纹,原因有以下几方面: (1) 焊缝熔合区组织成分不均匀,特别是补焊焊缝热影响区的马氏体组织,Hv_0.1达433,对硫化物应力腐蚀敏感性极高^［1］; (2) 焊缝除受环向及轴向拉应力之外,有很大的焊接残余应力,提供了应力腐蚀的力学条件; (3) 管内输送天然气中含有H₂S,加之焊缝的特殊结构,焊趾处吸附能力较强,容易为应力腐蚀提供环境介质条件,腐蚀产物分析证明了硫的存在.此外,前面原始裂纹电镜断口分析和剖面金相分析都表现出明显的应力腐蚀特征.
　　力学性能试验表明在内焊缝焊趾处分布着不同尺寸的应力腐蚀裂纹,表现为焊缝拉伸性能极不稳定,同时说明,应力腐蚀裂纹分布范围很大.

5 结 论
　　该输气管在服役过程中,因硫化物应力腐蚀沿内焊缝焊趾产生了大量应力腐蚀裂纹,爆裂是在管内压产生的环向应力、附加轴向应力焊接残余应力及管子的成型内应力作用下,应力腐蚀裂纹扩展达到许用极限裂纹尺寸而爆裂; 补焊工艺不合理使焊缝产生了马氏体组织及高的残余应力^［2］,造成焊区应力腐蚀敏感性增大.

作者单位：中国石油天然气总公司石油管材研究所 西安 710065

参考文献
　1 薛锦.应力腐蚀与环境氢脆.西安:西安交通大学出版社,1991,148
　2 于启湛.钢的焊接脆化. 北京:机械工业出版社,1992,95

收到初稿: 1998-05-17