天然氣集氣站的主要功能是從多個(gè)氣井中收集天然氣,通過(guò)一系列的處理過(guò)程,如加熱、節(jié)流(減壓)、分離(去除雜質(zhì))、增壓、脫水(去除水分)和計(jì)量等,以確保氣體達(dá)到規(guī)定的壓力和溫度標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)這些步驟處理過(guò)的天然氣可以被輸送至下游的天然氣加工廠(chǎng)或者直接輸入城市供氣網(wǎng)絡(luò),以滿(mǎn)足工業(yè)和居民用氣的需求。由于經(jīng)常使用焊接工藝對(duì)天然氣集氣站外輸匯管進(jìn)行管道連接,而焊接是一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程,故在焊縫和熱影響區(qū)容易發(fā)生組織不均勻、力學(xué)性能不均勻等現(xiàn)象,并產(chǎn)生焊接缺陷。 

集氣站外輸匯管的焊接接頭部位具有較高的焊接殘余應(yīng)力,因此該管道很容易發(fā)生事故。研究表明,大口徑管道的所有事故中由焊縫缺陷導(dǎo)致的故障占比為70%[1]。某氣田集氣站外輸匯管的材料為SA234 WPB,規(guī)格為1 000 mm×40 mm(公稱(chēng)直徑×壁厚),設(shè)計(jì)溫度為60 ℃,操作溫度為40 ℃,設(shè)計(jì)壓力為9.5 MPa,操作壓力為8.5 MPa,介質(zhì)為酸性天然氣,酸性天然氣中含有體積分?jǐn)?shù)為8%～9%的CO2和13%～15%的H2S。該管道在投入運(yùn)行僅1個(gè)月后就發(fā)生泄漏現(xiàn)象。筆者采用宏觀(guān)觀(guān)察、化學(xué)成分分析、滲透檢測(cè)、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法分析管道泄漏的原因,以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀(guān)觀(guān)察

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),匯管外表面防腐層完好,無(wú)明顯壁厚減薄和局部腐蝕痕跡。截取的泄漏管段宏觀(guān)形貌如圖1所示。由圖1可知：管道內(nèi)表面防腐層局部脫落,脫落區(qū)域呈層片狀和鼓泡狀形貌；焊縫內(nèi)、外表面成形較好,無(wú)明顯內(nèi)凹、缺失等表面缺陷；但縱焊縫上有多條表面橫向裂紋,有兩條橫向裂紋貫穿縱焊縫?？v焊縫上貫穿橫向裂紋宏觀(guān)形貌如圖2所示。 

圖  1  泄漏管段宏觀(guān)形貌

圖  2  縱焊縫上貫穿橫向裂紋宏觀(guān)形貌

1.2   滲透檢測(cè)

依據(jù)NB/T 47013.5—2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》的要求,利用滲透劑、乳化劑、清洗劑和顯像劑對(duì)匯管進(jìn)行滲透檢測(cè),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：匯管表面存在多條橫向裂紋,裂紋較平直,無(wú)明顯塑性變形,斷口呈脆性斷裂特征。 

圖  3  焊縫滲透檢測(cè)結(jié)果

1.3   化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,分別對(duì)匯管母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：母材的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。焊縫化學(xué)成分中的Mn元素含量超出了要求,同時(shí)焊縫中的Si元素含量要大于母材。 

隨著Mn元素含量的增大,材料的熱導(dǎo)率急劇減小,線(xiàn)膨脹系數(shù)增大,在快速加熱或冷卻時(shí),材料內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力,開(kāi)裂傾向性增大,淬透性增強(qiáng),馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低,對(duì)焊接性能有不利影響；同時(shí)Mn元素可以細(xì)化珠光體,使鋼材的強(qiáng)度增大,延展性降低[2]。而Si元素含量的增大會(huì)降低鋼材的塑性和沖擊韌性,減弱鋼材的抗銹蝕能力和焊接性能[3]。 

1.4   力學(xué)性能測(cè)試

按GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的要求,對(duì)泄漏匯管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知：匯管母材的力學(xué)性能符合相關(guān)要求,焊縫的抗拉強(qiáng)度超出了相關(guān)要求的上限,母材的沖擊吸收能量高于焊縫。 

根據(jù)GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)泄漏匯管的硬度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表3所示。由表3可知：焊縫的硬度超出了規(guī)定的上限,同時(shí)焊縫和熱影響區(qū)的硬度高于母材。 

Mn、Si元素含量的增大會(huì)影響材料的力學(xué)性能,使其抗拉強(qiáng)度和硬度增大,沖擊韌性降低,跟化學(xué)成分分析結(jié)果相對(duì)應(yīng),硬度與材料的應(yīng)力有密切關(guān)系,通常應(yīng)力越大,硬度越高,可間接反映該匯管焊縫以及熱影響區(qū)存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。 

1.5   金相檢驗(yàn)

分別在母材、熱影響區(qū)及焊縫的位置截取試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：母材的顯微組織為鐵素體＋珠光體,其中珠光體含量少,且沿鐵素體晶界分布,組織細(xì)小,具有較高的強(qiáng)度和塑性；熱影響區(qū)的顯微組織為板條狀馬氏體、針狀鐵素體和貝氏體的混合組織,晶粒較為粗大；焊縫的組織為塊狀鐵素體、先共析鐵素體和珠光體的混合組織,相對(duì)于母材,焊縫局部組織比較粗大。焊縫和熱影響區(qū)的局部組織粗大并存在板條狀馬氏體,為裂紋的形成和擴(kuò)展提供了條件。 

圖  4  匯管的顯微組織形

根據(jù)裂紋分布形態(tài),分別對(duì)表面裂紋及埋藏裂紋的微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裂紋在焊縫位置,分布范圍較寬,裂紋由多裂源形成微裂紋串集,帶枝杈和擴(kuò)展臺(tái)階,呈沿晶和穿晶混合開(kāi)裂形貌特征,表面裂紋內(nèi)充滿(mǎn)腐蝕產(chǎn)物,呈典型的延遲裂紋形態(tài)。 

圖  5  表面裂紋和埋藏裂紋微觀(guān)形貌

1.6   掃描電鏡和能譜分析

分別沿著表面裂紋和埋藏裂紋打開(kāi)管道,以裂紋面為檢驗(yàn)面。表面裂紋和埋藏裂紋斷面均有明顯的方向性,呈柱狀晶結(jié)晶形態(tài),無(wú)明顯塑性變形,無(wú)壁厚減薄,呈脆性斷裂特征。表面裂紋橫向貫穿焊縫,止裂于焊縫熔合區(qū),斷口較為平齊,無(wú)金屬光澤,表面為黑色,清洗后表面為灰色并無(wú)光澤,斷口表面覆蓋一層致密的腐蝕產(chǎn)物。埋藏裂紋也為環(huán)向裂紋,位于焊縫中間,斷口表面具有金屬光澤,為銀亮色。 

在管道上埋藏裂紋處截取試樣,將試樣置于掃描電鏡下觀(guān)察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：埋藏裂紋斷口斷面有河流花樣,呈柱狀晶結(jié)晶形態(tài)[見(jiàn)圖6a)]；在裂紋尖端及靠近內(nèi)表面位置,斷口呈多源啟裂特征[見(jiàn)圖6b)]；啟裂區(qū)有圓形和橢圓形銀白色斑點(diǎn),白色斑點(diǎn)附近沒(méi)有塑性變形痕跡,圓斑區(qū)顯示有從中心向四周的放射線(xiàn)結(jié)構(gòu),為準(zhǔn)解理形貌,在斷口上存在顯微孔洞、發(fā)紋和二次裂紋,兩個(gè)裂紋源的交界面存在撕裂棱,為韌窩斷口,韌窩是由孔洞形核、長(zhǎng)大和連接形成的,韌窩之間分布著大量細(xì)小的二次裂紋[見(jiàn)圖6c)、6d)]。裂紋斷口呈典型的氫脆微觀(guān)斷口形貌特征。 

圖  6  埋藏裂紋試樣SEM形貌

對(duì)斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：斷口表面含有氧、鎂、硅、磷、硫、鈣和鐵等元素,其中硫元素含量較高,說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物為硫化物,腐蝕介質(zhì)進(jìn)入裂紋內(nèi)部與金屬反應(yīng),形成硫化物,附著在斷口表面。 

圖  7  斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置及能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：匯管母材的化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織均符合相關(guān)要求；焊縫化學(xué)成分中Mn、Si元素含量偏高,導(dǎo)致焊縫處材料的拉伸性能和硬度大于母材,焊縫處顯微組織為板條狀馬氏體,與硬度測(cè)試結(jié)果吻合；斷口呈沿晶和穿晶混合開(kāi)裂形貌特征,表面存在明顯的雞爪紋,具有氫脆斷裂的典型特征。 

氫脆是在焊接過(guò)程中,氫進(jìn)入鋼中的顯微缺陷內(nèi)[4],聚合成分子氫,當(dāng)氫富集到足夠的程度,會(huì)引起金屬脆化、空腔表面能減小,以及空腔內(nèi)壓力增大,使顯微缺陷擴(kuò)張成裂口而形成裂紋源。由于氫的擴(kuò)散,另一應(yīng)力集中源形成新的裂口并擴(kuò)展,兩個(gè)裂紋源串集連成裂紋。這些裂紋源通常不能準(zhǔn)確地首尾相接,所以常常帶有枝叉,并且裂紋的擴(kuò)展也是不連續(xù)的,由許多細(xì)小的微裂紋各自長(zhǎng)大并連接。 

氫脆的發(fā)生需要?dú)涓患?由于匯管中介質(zhì)為酸性天然氣,其中有較高含量的H2S。同時(shí)在焊接過(guò)程中,高溫電弧的作用將水分解成氫和氧。氫以離子狀態(tài)存在,被液態(tài)金屬大量吸收,隨著焊縫金屬的冷卻,會(huì)析出氫,當(dāng)冷卻速率較大時(shí),氫將以過(guò)飽和的形式存在于焊縫金屬中。在焊縫金屬中不可避免地存在大量晶體缺陷,如空穴、點(diǎn)陣空位、位錯(cuò)和非金屬夾雜等,為氫離子的擴(kuò)散和富集提供場(chǎng)所[5]。 

焊接接頭處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),是由熱應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力與約束應(yīng)力綜合疊加構(gòu)成的。在焊接條件下,局部快速的加熱與冷卻導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度場(chǎng),引起不均勻的熱應(yīng)變,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力[6]。同時(shí),在熱循環(huán)作用下,各區(qū)域的奧氏體化狀態(tài)不同,引起不均勻的組織轉(zhuǎn)變,各微區(qū)域不能相互協(xié)調(diào)膨脹,從而產(chǎn)生了相變應(yīng)力。由于焊接接頭的剛性約束,焊接接頭金屬冷卻收縮受到限制,產(chǎn)生了約束應(yīng)力。 

焊縫金屬快速冷卻,使焊縫中形成馬氏體和貝氏體,而馬氏體和貝氏體對(duì)裂紋較為敏感[7]。 

3.   結(jié)論與建議

匯管泄漏的主要原因是焊接工藝不當(dāng),焊縫中的馬氏體和貝氏體為焊縫開(kāi)裂提供了條件。建議改進(jìn)焊接工藝,用焊后熱處理方式減小殘余應(yīng)力,或者在焊接前采取預(yù)熱的方式將氫釋放出來(lái),也可在管道內(nèi)部施加涂層、堆焊不銹鋼或設(shè)置其他保護(hù)襯里,以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

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