Cu污染造成的感应加热弯管裂纹分析

张亚锋杨社民王耀光,3王增辉时　斌李　黎

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100010；2.中国石油东南亚管道有限公司，北京100028；3.中国石油集团公司石油管工程技术研究院，西安710077）

驻厂监造人员在某防腐厂进行某海底管线项目监造时，发现X70级φ762 mm×31.8 mm弯管喷砂后外弧侧有裂纹，开裂面积约20 mm×20 mm。随后业主和工厂将此弯管送检国内权威机构进行失效分析。

1　弯管裂纹原因分析

1.1　弯管生产情况

弯管编号4#，所用母管为X70级φ762 mm×31.8 mm直缝埋弧焊管。生产前对母管进行外观和理化性能检验[1]，合格后吊装到弯管生产设备上，通过一个旋转直径为5D（D为管径）的悬臂引导，母管尾部以0.3～0.6 mm/s的速度匀速推进。母管先通过感应加热线圈加热后，再进行弯曲加工，加热功率为1 000 kW，温度控制在（1 000±15）℃。 母管弯曲后用 0.02～0.04 MPa压力的盐水迅速冷却，煨制合格的弯管在加热炉中进行热处理。热处理温度为（500±20）℃，升温速度200℃/h，保温时间90 min。待应力释放后再进行无损检验及尺寸检验。

1.2　宏观分析

裂纹区域位于弯管外弧侧弧顶区，如图1所示。10#为裂纹取样位置，开裂区域的宏观形貌如图2所示，裂纹区域轴向长度为19 mm，周向长度为25 mm，裂纹开口垂直于轴向，沿周向断续开裂。裂纹最大深度为9.2 mm，如图3所示。

图1　裂纹位置及取样位置示意图

图2　开裂区域宏观形貌

图3　裂纹截面宏观形貌

1.3　化学成分分析

在裂纹区域附近取母材试样，采用Baird Spectrovac2000直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。可以看出，化学成分符合《Specification For Longitudinal Seam Submerged Arc Welded Line Pipe（NHDW-SPC-SPG-ST-0002）》要求。

1.4　微观组织分析

对所取试样进行微观组织[2]和裂纹形貌分析，组织[3]和晶粒度检测结果见表2。

不同试样的组织形貌如图4所示。由图可见，弯管弯曲区域外弧侧、中部和内弧侧晶粒度分别为7.5级，9.0级和10.0级。在外表面附近大多是以粒状贝氏体为主，其余为粒状贝氏体+多边形铁素体+珠光体。

表1　X70级φ762 mm×31.8 mm感应加热弯管化学成分分析结果　%

表2　组织、晶粒度检测分析结果

1.5　金相分析

10#试样表面裂纹截面宏观形貌如图5所示。由图可见，截面上分布着左、中、右3条裂纹，且均由外表面处起裂向内扩展。其中左侧裂纹和右侧裂纹最明显，称为主裂纹，裂纹中部间断并出现较长的二次裂纹。中间裂纹较细，在25倍放大镜下宏观观察清楚可见。

裂纹位于试样外表面，裂纹内及裂纹尖端处均发现黄色金属物质存在，如图6和图7所示，裂纹主要呈沿晶扩展特征。同时，在试样裂纹附近也发现有黄色金属物质存在，该物质的扩展路径呈沿晶特征。

1.6　扫描电镜与能谱分析

裂纹处的能谱分析结果见表3，SEM扫描电镜形貌和EDS能谱如图8所示，由表3和图8可以明显看出，裂纹处金属物质是Cu。

图4　不同试样的组织形貌

图5　10#试样表面裂纹截面宏观形貌

图6　左侧裂纹内金属物质

图7　左侧裂纹尖端金属物质

表3　弯管裂纹处能谱分析结果

图8　裂纹处的SEM扫描电镜形貌和EDS能谱图

2　形成原因分析

（1）从表1化学成分分析的情况看，母材中w（Cu）=0.14%，低于标准要求的0.35%，所以可排除母材本身Cu含量高的可能。

（2）通过金相组织可以看到，试样表面存在裂纹，裂纹内及裂纹尖端发现黄色金属物质，裂纹扩展主要呈沿晶特征；试样裂纹附近表面也发现黄色金属物质，该物质的扩展路径也呈沿晶特征。通过扫描电镜分析，发现裂纹内有大量Cu存在，所以Cu应该来自弯管外界。

（3）热煨弯管加工过程中，感应线圈加热母管的温度在1 000℃左右，母管局部受到高温变软，母管尾部施加推力，在悬臂的牵引下逐步变弯，同时用0.02～0.04 MPa的盐水进行淬火处理，文献[4]表明，X70控轧钢经淬火处理后，其金相组织发生很大的变化，淬盐水后母材组织由原来的针状铁素体转变为贝氏体+少量块状铁素体，后期通过热处理消除残余应力，能使弯管达到很好的力学性能。在煨制过程中，加热温度会有一定的波动，外弧侧温度会高于Cu的熔点1 083℃，文献[5]表明，随着Fe的选择性氧化，Cu在基体—氧化层之间形成Cu的富集[6]，形成液态富Cu相，液态富Cu相会沿着粒状贝氏体渗透产生裂纹，而在弯曲过程中外弧侧受到较大的拉应力，也进一步促进裂纹的产生和扩张[7]。

3　预防措施

（1）《油气管道工程感应加热弯管通用技术条件》中5.1.3明确规定:弯管用钢管表面应无油污。钢管在制造、搬运、装卸过程中不允许与低熔点金属（Cu，Zn，Sn和Pb等）接触，否则应采用适当的方法（如喷砂）清除。

（2）弯管生产前对母管进行仔细检查是很有必要的，对于锈蚀严重的母管最好能进行喷砂处理，以免造成弯管不合格。

4　结语

通过分析发现外来Cu污染是造成弯管外弧侧开裂的主要原因，因此，母管在制造、搬运、装卸过程中应避免与低熔点金属（Cu，Zn，Sn和Pb等）接触，否则易造成弯管裂纹的出现。

参考文献：

［1］王高峰，王晓江，梅斌，等.X70螺旋缝焊管焊缝横向裂纹分析［J］.焊管，2013，36（03）:39-44.

［2］赵亚娟.针状铁素体型管线钢的显微组织分析［J］.南钢科技与管理，2007（04）:7-9.

［3］乔宁.加热温度对管线钢性能和组织的影响［J］.中国高新技术企业，2007（10）:64-67.

［4］杨才福，苏航，李丽，等.Cu、Ni在含铜时效钢表面的氧化层中的富集［J］.钢铁，2007，42（04）:57-60.

［5］曹敏，刘迎来，高西林.X70管线钢弯管感应加热淬火性能研究［J］.西安工程科技学院学报，2005，19（04）:446-448.

［6］耿明山，王新华，张炯明.钢中残余元素在连铸坯和热轧板中的富集行为［J］.北京科技大学学报，2009（03）:26-31.

［7］曹晓燕，李天雷，罗光文.热煨弯管产生裂纹的原因分析［J］.天然气与石油，2011，29（01）：59-62.