高频电阻焊管弯头破裂原因分析

李东海， 雷永刚， 刘凤林， 马庆国， 王 辉

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂， 陕西 延安716000）

近年来， 高频电阻焊管 （high frequency resistance welded pipe， HFW） 在油田低温、 高压、腐蚀等恶劣环境下被普遍使用[1]， 但随着油田的开发， 油田集输管道所用的高频电阻焊管及由高频电阻焊管加工而成的管件失效事故时有发生，给油田安全生产和环境保护造成了很大的风险和隐患。 因此， 加强高频电阻焊管失效原因分析，建立高频电阻焊管腐蚀、 失效数据库， 从而对管道失效情况进行检测和评估[2]， 显得尤为紧迫和重要。 本研究以某油田站内高频电阻焊管弯头焊缝发生开裂失效为例， 对弯头失效原因进行检测和分析， 为解决同类问题提供参考[3]。

1 失效弯头外观及壁厚检查

1.1 外观检查

失效弯头材质为20#钢， 规格为Φ219 mm×8 mm， 运行压力为3.2 MPa， 输送介质为含水原油， pH 值为6～7。 将弯头切割进行外观观察， 发现弯头整体腐蚀情况非常严重， 外表面防腐层脱落， 存在大量不规则腐蚀凹陷， 深度0.3～0.6 mm；内表面被一层橘黄色腐蚀产物所覆盖。 观察弯头开裂处， 裂缝位置为弯头外弧侧直焊缝熔合线部位， 裂缝边沿较为平齐， 贯穿于整个弯头， 宽度为1.0～1.5 mm， 止裂于弯头两端直管环焊缝，弯头外观形貌如图1 所示。

图1 失效弯头外观形貌

1.2 壁厚测量

以弯头裂缝两边为起止点， 将弯头沿周长方向取5 个点 （编号为A、 B、 C、 D、 E）， 同时在每个点上沿弯头弧长方向分别取7 个点， 进行壁厚测量， 测量位置如图2 所示， 测量结果见表1。

通过对弯头壁厚测量， 发现弯头壁厚最薄点在裂缝两边弯头的中心位置， 最小厚度5.14 mm，最大厚度7.48 mm， 所有测量点厚度均值6.72 mm，平均厚度不满足GB/T 12459—2017 《钢制对焊管件 类型与参数》[4]要求的弯头壁厚不小于公称壁厚的87.5% （即7 mm）。

图2 弯头壁厚测量位置

表1 弯头壁厚测量结果

2 理化检验

2.1 化学成分分析

从弯头焊缝破裂位置取样， 用光谱仪和红外碳硫分析仪对试样化学成分进行分析， 分析结果见表2。 由表2 可以看出， 弯头焊缝破裂位置化学成分符合GB/T 711—2017 《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》[5]的要求。

表2 弯头焊缝破裂位置化学成分

2.2 拉伸性能试验

依据GB/T 228.1—2010 《金属材料拉伸试验 第1 部分： 室温试验方法》， 对弯头母材进行拉伸试验。 拉伸试样选取全壁厚板状试样，试样沿弯头纵向位置截取， 弯头母材拉伸试验结果见表3。 由表3 可以看出， 弯头外弧侧抗拉强度为398 MPa， 低于标准要求； 屈服强度、伸长率满足标准要求。

表3 弯头母材拉伸试验结果

2.3 夏比冲击试验

采用PIT752D-2 型 （300 J） 冲击试验机，依据GB/T 229—2007 《金属夏比缺口冲击试验方法》 对弯头母材进行夏比冲击性能试验。 试验温度20 ℃， 试样沿弯头纵向截取， 试样规格为5 mm×10 mm×55 mm （1/2 全尺寸试样）， V 形缺口， 递减系数取0.5 进行折算， 结果见表4。 由表4 可以看出， 弯头母材冲击功为5～22 J， 平均值13 J； 断面剪切率为8%～56%， 弯头母材的冲击性能极不均匀， 冲击韧性较差。 需要说明的是， 由于GB/T 13401—2017 《钢制对焊管件 技术规范》 中未对20#钢的冲击性能有具体要求，本次夏比冲击功试验是参照和20#钢性能相近的碳素钢材料 （等级为CF415K） 的冲击功测试标准数值作参照， 从侧面反应出弯头冲击韧性较差。 试验结果仅作参考。

表4 弯头母材冲击性能试验结果

2.4 硬度测试

图3 弯头焊缝热影响区金相组织及A 类夹杂物形貌

依据GB/T 231.1—2009 《金属材料 布氏硬度试验 第一部分： 试验方法》， 在弯头焊缝破裂部位两边和弯头内弧侧， 分别取样进行布氏硬度测试， 试验结果见表5。 从表5 可以看出， 弯头内弧侧硬度符合标准要求， 而弯头焊缝破裂部位两边硬度高于标准要求。 破裂部位的硬度高于弯头内弧侧的硬度， 表明母材硬度分布不均匀， 弯头焊缝和热影响区硬度较高， 脆性较大。

表5 弯头母材硬度测试结果

3 宏观观察及电镜能谱分析

3.1 宏观观察

弯头受输送介质和外部土壤 （油泥） 腐蚀影响较为严重， 内外表面存在大量不规则的腐蚀凹陷。 在显微镜下观察， 断口是沿焊缝熔合线开裂， 边沿无明显塑性变形， 无剪切 “唇口”， 整个断口表面较为平齐， 颜色灰暗， 未发现颈缩等韧性断口特征。 在高倍显微镜下观察， 断口表面存在放射状微裂纹和扩展条纹迹象， 从断口宏观形貌特征可以判断， 断口属于典型的脆性断裂[6]。

3.2 电镜能谱分析

在弯头壁厚最薄的裂缝中间位置取样， 使用TESCAN VEGAⅡ扫描电子显微镜及XFORD INCA350 能谱分析仪进行观察分析， 结果显示， 断口金相组织为铁素体、 粒状贝氏体和少量珠光体； 焊缝、 热影响区晶粒度分别为10.5 级和9级； 在焊缝熔合线位置， 存在偏析和A 类 （硫化物类） 非金属夹杂物聚集， 且遍布整个焊缝的熔合线中， 晶粒度评级为3.0 级， 如图3 所示。与正常组织相比， 贝氏体的存在使得偏析处韧性降低； 贝氏体长大过程中， 伴随着碳的扩散， 它的快速形核和长大造成的组织应力可导致裂纹的产生， 破坏基体的连续性和致密性， 导致焊缝组织塑性降低[7]。

断口能谱分析位置如图4 所示， 断口表面覆盖了一层絮状腐蚀物， 主要成分为铁的氧化物，焊缝熔合线附近非金属夹杂物的成分主要为硫化锰， 分析结果见表6。

图4 断口形貌及能谱分析位置

表6 断口能谱分析结果

高频电阻焊焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中产生热应力， 在焊接时焊缝区域由于受热面发生膨胀而承受压应力， 冷却时受热面收缩承受拉应力， 在应力作用下， 引起非金属夹杂的聚集， 成为裂纹诱发源[8]。 经加热焊接挤压后，硫化锰夹杂在高温变形时塑性较差， 破坏了焊缝的连续性， 在焊接应力作用下形成微裂纹和高温开裂。 焊缝冷却后， 夹杂物在较低温度时呈脆性， 与焊管母材基体结合较弱， 会降低母材的塑性和韧性， 容易形成脆断， 对焊缝质量影响较大[9]。

4 分析讨论

（1） 壁厚方面。 与弯头连接的直管公称壁厚为8 mm， 弯头的平均壁厚为6.71 mm， 只有设计厚度的83.87%， 低于GB/T 12459—2017 中“弯头壁厚不小于公称壁厚的87.5%” 的要求；弯头壁厚最薄位置在外弧侧中心焊缝开裂处，厚度只有5.14 mm， 最大减薄率为35.75%， 也远低于标准中 “弯头外弧侧最小壁厚不小于直管公称壁厚T” 的要求。 因此， 弯头整体厚度已不能满足标准要求和使用要求， 存在严重的泄漏风险。

（2） 拉伸性能。 弯头内、 外弧拉伸性能存在差异， 弯头内弧侧抗拉强度满足标准要求， 外弧侧抗拉强度为395 MPa， 小于标准要求的最小值410 MPa， 说明弯头母材材质分布不均匀。 另外，拉伸性能存在差异也和弯头的厚度减薄有关。

（3） 冲击性能。 冲击性能是衡量高频电阻焊钢管焊缝性能的关键指标之一， 冲击功越高， 基体抗裂纹萌生和扩展的能力越高。 夏比冲击试验表明： 弯头母材冲击功为5～22 J， 与性能相近的碳素钢材料 （CF415K） 的冲击功测试标准数值相比， 弯头冲击韧性较差， 抗裂纹萌生和扩展的能力必然较差。

（4） 弯头硬度。 弯头内弧侧硬度符合标准要求， 而在弯头外弧侧焊缝开裂部位两边， 硬度均高于标准要求， 硬度分布不均匀， 说明弯头焊缝和母材基体组织性能存在差异性。 焊缝和热影响区硬度较高， 塑性、 韧性下降， 脆性增大， 在腐蚀环境下， 极易产生应力腐蚀裂纹。

（5） 宏观金相观察。 从弯头断口开裂形貌看， 断面无宏观塑性变形， 断口是沿焊缝熔合线开裂， 呈结晶状断口， 表面较为平齐， 反光能力稍差， 颜色黯淡， 珠光体沿着铁素体晶界分布，在晶界间存在夹杂物、 微裂纹和扩展裂纹， 夹杂物形貌呈枝晶状， 沿焊缝熔合线分布， 与焊缝基体界面分离。 裂纹首先在晶界上形成， 并沿晶界扩展开裂， 具有明显的脆性沿晶断裂特征[10]。

（6） 电镜分析。 在高频电阻焊焊接时， 硫化物夹杂在高温下沿着焊缝重新聚集长大， 并残留在热影响区， 因基体与夹杂物高温塑性的差异使得硫化物夹杂和基体边界产生应力集中； 在焊缝挤压变形中， 外加应力导致微裂纹萌生； 水冷过程中， 在相变应力作用下， 在晶界间产生空位位错和相变位错， 当空位位错与相变位错发生移动聚集在夹杂物处， 使硫化物夹杂与基体发生晶间脆断， 形成微裂纹。 随着温度降低， 钢管焊缝不断收缩， 在焊缝上纵向拉应力不断增大， 使硫化物夹杂物与基体微裂纹不断扩展， 直至发生破裂[11-12]。

（7） 运行环境的影响。 弯头使用过程中， 在输送介质腐蚀和外壁防腐层受损的情况下， 弯头内外壁腐蚀严重， 壁厚减薄超标， 在输送压力激发下， 焊缝部位的裂纹继续扩展， 最终导致焊缝开裂。

综合以上分析： 弯头所用的高频电阻焊管，母材基体质量不高， 材质分布不均匀。 弯头强度、 塑性、 韧性较差， 焊缝和热影响区硬度较高， 脆性较大， 抗焊接应力裂纹能力较差。 在焊缝熔合线位置存在偏析和硫化锰夹杂， 焊接加热时， 钢管母材与夹杂物存在塑性差异， 使得硫化物夹杂和母材基体边界产生应力集中； 在挤压变形时， 外加应力导致微裂纹萌生； 水冷过程中，在相变应力作用下， 在晶界间产生空位位错和相变位错， 使硫化物夹杂与基体发生晶间脆断， 形成微裂纹。 随着温度降低， 钢管焊缝不断收缩，焊缝上纵向拉应力不断增大， 微裂纹不断扩展。弯头内外壁腐蚀严重， 壁厚减薄超标， 促进了焊缝部位的裂纹不断增长， 最终导致焊缝开裂， 发生泄漏。

5 结 论

（1） 高频电阻焊管弯头开裂的主要原因是直焊缝熔合线部位存在偏析和硫化锰夹杂， 从而造成基体产生晶间脆性断裂。

（2） 弯头母材基体质量不高， 强度、 塑性、韧性较差， 焊缝和热影响区硬度较高， 脆性较大， 是弯头开裂的次要原因。

（3） 弯头外壁防腐层脱落， 腐蚀造成壁厚减薄， 加快了裂纹开裂速度， 引发弯头最终失效。