某城市埋地輸油管道材料為25號(hào)鋼，管道由無縫鋼管和沖壓彎頭焊接而成，設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa，規(guī)格為273.1mm×7.1mm（長度×外徑），彎頭角度為90°，安裝條件為R=5D（R為管線彎曲部分安裝半徑，D為彎管直徑）。該彎管服役約10個(gè)月后，在焊接彎管處開裂并發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

     研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡（SEM）分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)焊接彎管開裂的原因進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)建議，以防止該類問題再次發(fā)生。

1. 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

     埋地輸油管道焊接彎管開裂現(xiàn)場如圖1所示。由圖1可知：開裂處位于焊接彎管處；管道底部懸空，基體被沖散。經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，該管道前側(cè)排水系統(tǒng)之前發(fā)生泄漏，導(dǎo)致管道底部基土被沖散，焊管受上方管道擠壓，在沖壓彎頭附近發(fā)生彎曲變形。

     將焊接彎管處剖開，焊接彎管開裂處宏觀形貌如圖2所示，整段裂紋沿焊縫環(huán)形分布，裂紋源在焊

縫附近，裂紋長度約為80mm，且穿透管壁。在裂紋兩端沿垂直于裂紋方向?qū)摴茕忛_，從而打開斷口，斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷口幾乎沒有發(fā)生塑性變形，呈一次性脆性開裂形貌特征，裂紋從焊管外表面起始，裂紋源處未見異常原材料缺陷。

1.2 SEM分析

     將裂紋打開后的斷口置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。在裂紋源處未見異常缺陷。圖5是擴(kuò)展區(qū)SEM形貌，該區(qū)域微觀形貌特征以沿晶開裂為主。

1.3 化學(xué)成分分析

     在無縫鋼管和沖壓彎頭上各自取樣，對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：該焊接彎管A處（無縫鋼管）材料為25號(hào)鋼，B處（沖壓彎頭）材料鉻元素含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.6%。較高的鉻元素含量使得該材料淬透性較好，在焊接冷卻后容易形成馬氏體，裂紋敏感性較大，不適合作為焊接彎管的選材。

1.4 金相檢驗(yàn)

     在開裂的焊接彎管上取截面，制成金相試樣，用硝酸乙醇溶液腐蝕，圖6為無縫鋼管熱影響區(qū)顯微組織形貌。由圖6可知：該處組織為珠光體+ 針條狀鐵素體，具有魏氏組織傾向。圖7是無縫鋼管母材區(qū)顯微組織形貌，組織為珠光體+ 等軸鐵素體，鐵素體晶粒較細(xì)，根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，其晶粒度級(jí)別為9級(jí)。沖壓彎頭側(cè)熱影響區(qū)和母材區(qū)白色光亮，未見明顯腐蝕痕跡，說明該區(qū)域材料耐蝕性較好，這與化學(xué)成分分析結(jié)果相符。沖壓彎頭處鉻元素含量較高，屬于馬氏體不銹鋼，因此使用硝酸乙醇無法腐蝕。使用王水溶液對(duì)該區(qū)域進(jìn)行腐蝕，沖壓彎頭熱影響區(qū)組織為馬氏體（見圖8），晶粒度級(jí)別為7 級(jí)。圖9是沖壓彎頭母材區(qū)顯微組織形貌，為球化珠光體+鐵素體。

1.5 硬度測試

     分別對(duì)焊縫區(qū)、沖壓彎頭熱影響區(qū)、母材區(qū)進(jìn)行維氏硬度測試，沖壓彎頭熱影響區(qū)硬度達(dá)到424 HV0.5，遠(yuǎn)大于母材區(qū)（198 HV0.5）和焊縫區(qū) （210 HV0.5），這是由于焊接彎管在焊接冷卻后生成脆而硬的馬氏體。

2.綜合分析

      該彎管鋪設(shè)位置為土質(zhì)結(jié)構(gòu)，彎管兩頭的直管處于固定狀態(tài)，經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，該管道前側(cè)排水系統(tǒng)之前發(fā)生泄漏，導(dǎo)致管道底部基土被沖散，此外挖掘和安裝也會(huì)導(dǎo)致彎管部位土質(zhì)變松軟，臨近路面修復(fù)過程中，重載工程車碾壓會(huì)使彎管部位承受較大載荷，向下產(chǎn)生微小位移，重載車輛經(jīng)過后彎管又恢復(fù)到原始位置。彎管下方無土質(zhì)支撐，且需要承受自身管道和上方土質(zhì)的質(zhì)量，在彎管下方會(huì)持續(xù)承受壓力。

     經(jīng)過化學(xué)成分分析，焊接彎管材料為馬氏體不銹鋼，鉻元素含量高達(dá)8.60%，使該材料淬透性極高，導(dǎo)致焊接后容易在熱影響區(qū)形成硬而脆的馬氏體，因此該材料焊接性能較差。開裂焊接彎管熱影響

區(qū)存在硬而脆的馬氏體，而高硬度的馬氏體氫脆敏感性較大，在受到持續(xù)拉伸應(yīng)力的作用下，極易發(fā)生氫致延遲性斷裂。馬氏體含有較多晶界和位錯(cuò)缺陷，是一種非平衡組織，其引發(fā)氫脆的概率遠(yuǎn)高于其他組織，由于氫在馬氏體相中的擴(kuò)散系數(shù)比在鐵素體中低，加之具有大組織應(yīng)力特征，極易發(fā)生氫致斷裂。導(dǎo)致氫致斷裂的氫氣來源主要有兩種：內(nèi)部氫和外部氫。內(nèi)部氫是因?yàn)榻饘俨牧显谝睙挕⒑附拥燃庸み^程中吸收了氫氣；而外部氫是因?yàn)樵谀嗤脸睗癍h(huán)境下，氫濃度較高，氫氣以原子形式滲入鋼中，被鋼的基體溶解吸收，形成分子氫的富集，造成氫脆。氫濃度隨著空氣濕度的增加而增加，高強(qiáng)度馬氏體鋼在濕度不小于30% 的空氣環(huán)境下就存在氫致斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3. 結(jié)論

    （1）該開裂埋地輸油管道由無縫鋼管和沖壓彎頭焊接而成，無縫鋼管材料符合25號(hào)鋼的國標(biāo)要求，而沖壓彎頭材料鉻元素含量高達(dá)8.60%，屬于馬氏體不銹鋼，其焊接性能較差。

    （2）該埋地輸油管道彎管前側(cè)排水系統(tǒng)之前發(fā)生泄漏，彎管底部基土被沖散，彎管下方無土質(zhì)支撐，彎管下方會(huì)持續(xù)承受壓力。

    （3）該埋地輸油管道開裂呈沿晶擴(kuò)展特征，具有氫致延遲性斷裂特征。

    （4）導(dǎo)致埋地輸油管道氫致延遲性開裂的主要原因與沖壓彎頭選材不當(dāng)有關(guān)，建議選擇25號(hào)鋼進(jìn)行替代，可適當(dāng)增加彎頭的壁厚，避免介質(zhì)沖刷彎頭帶來的減薄風(fēng)險(xiǎn)，或者優(yōu)化焊接工藝，避免魏氏組織的形成。此外，彎管前側(cè)排水系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致彎管底部基土被沖散是導(dǎo)致開裂的直接原因。

作者：金蘇柯1，羅嬋媛1，胡家喜1，潘安霞2

單位：1. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 常州分院；

2. 常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院

來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第12期