埋地天然气管道三通的失效分析

常 乐，钱英豪，周鹏飞，丁 毅，董金善

(1.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 210009;2.江苏省特种设备检测研究院苏州分院，江苏苏州 215128)

0 引言

某高压燃气管线定向穿越公路铺设完工使用2年后，由于交通需要，在管道上方架设立交桥。立交桥基础边缘离三通设置处约0.5 m，管道上方距立交桥底部基础约0.6 m，如图1(a)所示。管道规格 Ø168.3 mm ×6.4 mm，材质20#钢，设计压力4.0 MPa，三通管件壁厚8 mm，材质 L290，热处理状态为回火。桥梁上方经常有大型载重车辆通过，给管线施加了较大集中载荷，使用半年后三通发生断裂失效。裂纹在直管段为环向裂纹，并沿着支管轴向发展，裂纹形貌如图1(b)所示。为寻找三通断裂原因，以便采取有效对策，避免今后类似事故的发生，对三通断裂原因进行了分析。

1 试验试样制备和试验方法

图1 断裂三通宏观照片

首先对三通的断口进行宏观分析，然后对三通进行线切割取样。从三通裂纹源区进行取样，进行微观断口分析;在裂纹源区附近取1个样，进行金相分析;在裂纹源区取3个样，进行拉伸性能试验。

分别采用XJZ－1A型金相显微镜对微观组织进行分析，日本电子公司JSM－5610LV型扫描电镜对断口微观形貌进行观察，德国布鲁克公司Q8MAGELLAN型直读光谱仪对三通材料成分进行分析，WDW3100型微控电子万能试验机进行拉伸性能测试。

2 试验结果与分析

2.1 宏观断口分析

开裂三通着色探伤照片见图2(a)，可以看出，直管段与支管段过渡区环向裂纹深度较大(渗透量大)，而支管段轴向裂纹深度较浅(渗透量小)，表明裂纹可能起源于直管段与支管段过渡区。同时还发现主裂纹并非连续扩展，而是呈现多段阶梯状扩展，二次裂纹丰富。由于疲劳断裂一般只有一条主裂纹，且很少见到二次裂纹，因此可以初步排除该三通疲劳断裂的可能性［1］。

三通原始宏观断口形貌见图2(b)，可以清楚看出断口表面有明显的人字形花纹，根据人字方向可以判断，裂纹是在三通直管段和支管段过渡区管道外表面形成，随后沿着支管轴向扩展，并同时向管道内表面深度方向扩展，直至穿透三通管壁导致天然气泄漏。

图2 断裂三通断口宏观照片

2.2 微观组织分析

图3示出断裂三通管裂纹附近金相组织为铁素体与珠光体组织，并且铁素体与珠光体都有大量的变形，有明显的加工流线存在，表明三通在加工后未进行正火或者再结晶退火处理［1－2］，三通管的脆性和韧性不能得到恢复，三通管内部残余加工应力也无法得到消除，存在安全隐患。

图3 开裂管线三通金相显微组织照片

三通开裂方向平行于加工流线方向，裂纹与加工流线中珠光体分布平行。加工流线也称流纹，在加工时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布;塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性。加工流线使金属性能呈现异向性;沿着流线方向(纵向)强度、塑性较高，而垂直于流线方向(横向)抗拉强度、塑性较低。

从图3中还可以看出，二次裂纹也跟加工组织流线保持一致，可见三通管内部的加工流线是导致三通管发生开裂的主要组织原因，而三通成型工艺不当导致材料发生严重的应变时效脆化是三通开裂的重要原因。

2.3 力学性能测试

在三通裂纹处截取试样(见图2(a))，分别进行拉伸试验。由于受到三通管尺寸和形状限制，力学性能试样取样部位位于三通直管段和支管段结合部，该区域也是属于裂纹延伸段范围，应具有较好的代表性;试样取向为垂直于裂纹方向取样，这样才能较准确地反映裂纹区材料强度和断裂性质。测得结果见表1。

表1 三通材料力学性能试验结果

从表1可以看出，虽然三通管抗拉强度达到标准要求，但是塑性指标(伸长率)严重不达标，而且塑性也很不均匀，尤其2#试样，伸长率仅为2.6%。同时，该三通管屈强比高达87%，安全塑性裕度也很有限，短暂过载冲击即可能导致三通发生开裂。

2.4 微观断口扫描电镜

图4示出开裂三通的扫描电镜(SEM)微观断口形貌图。可以看出，三通管原始断口具有典型的脆性准解理断口形貌，微观断口表面基本由河流花样组成，仅存在少量韧性撕裂痕迹，表明该三通管局部存在很高的脆性。同时，微观断口形貌分析并未发现疲劳辉纹，表明该三通管断裂并非疲劳断裂，而是一次性(或有限次数)脆性断裂，断裂周期很短，是由过载冲击造成的。

图4 三通管原始断口SEM照片

3 结论和建议

(1)该三通属于过载冲击造成的脆性断裂，裂纹源位于三通直管段和支管段过渡区管道上表面处(应力集中处)，随后沿着支管轴向扩展，并同时向管道内表面深度方向扩展，直至穿透三通管壁导致天然气泄漏。

(2)三通内部的加工流线是导致三通发生开裂的主要组织原因;三通成型工艺不当导致材料发生严重的应变时效脆化是三通开裂的重要原因。

(3)由于该高压燃气管道上方距立交桥底部基础约0.6 m，最小覆土厚度不足，在设计载荷和车辆载荷作用下，三通上表面处产生较大的局部应力，同时由于该三通管存在很高的脆性，故导致脆性断裂，断裂周期很短，系由过载冲击造成。

(4)建议三通管在挤压加工过程中应严格保证正火热处理状态，然后进行回火处理，否则加工完成后应进行正火或再结晶退火热处理，以消除加工流线，恢复塑性和合适的屈强比，保证三通的正常使用寿命。

(5)该高压燃气管道上方距立交桥底部基础约0.6 m，不符合GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》［4］最小覆土厚度要求(不得小于 0.9 m)。建议该高压燃气管道外增加套管保护或增加管道埋地深度，以减小车辆载荷的影响，确保管道的安全运行。

［1］褚武扬，乔利杰，陈奇志，等.断裂与环境断裂［M］.北京:科学出版社，2000:25－26.

［2］武宏，彭建洪，许云华，等.强烈冷拉塑性变形及退火处理对珠光体钢组织性能的影响［J］.材料与热加工，2007，36(16):13 －15.

［3］GB/T 9711.1—1997，石油天然气工业输送钢管交货技术条件［S］.

［4］GB 50028—2006，城镇燃气设计规范［S］.