L 360螺旋焊热煨弯管外弧产生裂纹的原因分析

荣 明 鲜 宁 张楠革 张 丽 周辉辉

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.中国石油西南油气田公司天然气研究院， 四川 成都 610213；3.长庆油田矿区服务事业部兴隆园物业服务处， 陕西 西安 710018；4.杭州汽轮辅机有限公司， 浙江 杭州 310022



L 360螺旋焊热煨弯管外弧产生裂纹的原因分析

荣 明1鲜 宁1张楠革2张 丽3周辉辉4

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.中国石油西南油气田公司天然气研究院， 四川 成都 610213；3.长庆油田矿区服务事业部兴隆园物业服务处， 陕西 西安 710018；4.杭州汽轮辅机有限公司， 浙江 杭州 310022

某制造厂在用L 360螺旋焊管生产热煨弯管的过程中发现弯管出现裂纹现象，对弯管母管进行理化检验和金相分析，确认母管材质符合标准要求。采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)对裂纹断口的组织结构、微观形貌以及裂纹区域的化学成分分布进行检测分析，发现裂纹源区有Cu污染，并结合热煨弯管的制造过程，对热煨弯管开裂的原因进行深入讨论。研究结果显示：母管表面的Cu污染是造成弯管在煨制过程中开裂的主要原因，提出了相应的生产质量控制措施。

热煨弯管；裂纹；Cu污染；螺旋焊管

0 前言

某制造厂采用Φ 406×10的L 360螺旋焊管通过感应加热进行热煨弯管制造，生产出来的弯管在后期的无损检验中发现存在大量缺陷。表面探伤发现部分弯管外表面有裂纹存在，裂纹位于受弯曲拉应力的外弧侧，大部分裂纹沿环向分布。根据文献资料[1-9]，弯管在制造过程中，很多因素都可能影响弯管质量，弯管质量将影响管网运行安全。为了提高弯管质量，本文对弯管产生裂纹的原因进行分析，以期为热煨弯管生产制造质量控制提供参考。

1 热煨工艺和试验材料

弯管材质为L 360，生产工艺流程为：原材料入厂检验—投料—热煨弯制—消应力退火—喷砂—检测。热煨工艺采用中频感应加热，温度控制在900～1 000 ℃，边加热边弯曲边喷水冷却，冷却介质为清水，然后585 ℃消除应力退火。弯管外弧受拉面存在裂纹，多数为环向，最长约20 mm，但也有龟裂状的，方向与弯管时的拉应力垂直。

选取母管1根、没有裂纹的弯管1只、带裂纹的弯管2只进行取样分析，弯管分别在直管段和外弧侧取样。母管样品、弯管直管段样品分别进行金相组织和理化性能测试，带裂纹的弯管在裂纹处取样，采用SEM和EDS进行形貌和化学成分分析。

2 弯管裂纹原因分析

2.1 L 360母管材质分析

根据刘迎来等人[1]对X 70热煨弯管开裂原因的分析，母管中的夹渣会造成弯管开裂，因此，本次分析首先复验了母管的质量。对母管、开裂弯管的直管取样进行化学成分、力学性能测试，测试结果显示：两种被测样品的化学成分和力学性能基本一致，均符合GB/T 9711-2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》标准的要求。同时，对两个样品的微观组织结构进行分析，其测试结果显示，两样品的金相组织和硬度基本一致，金相组织良好，均为铁素体+珠光体，晶粒细小均匀，未见非金属夹杂，硬度在170 HV 10～180 HV 10之间。此外，采用超声波和磁粉探伤对母管进行无损检测，未发现母管表面和内部存在原始裂纹。

母管材质分析表明，用于制造弯管的母管符合标准要求，且金相组织良好，可以排除因母管质量问题导致热煨弯管开裂。

2.2 弯管裂纹分析

对可开裂弯管进行宏观检查发现：裂纹表面附近区域与其他区域颜色存在差异，隐约可见呈铜褐色。为进一步查明热煨弯管失效的真正原因，沿开裂弯管的开裂部位进行取样。裂纹位于外弧承受拉应力的表面，裂纹沿环向长大约12 mm(垂直于拉应力)，深约3 mm，裂纹沿深度方向的宏观特征见图1，裂纹尖端特征见图2。

图1 裂纹宏观特征(沿深度方向)

图2 裂纹尖端特征

为了弄清裂纹内部的特征，沿壁厚方向剖开裂纹断口，在断口面发现：近表面的断口大多覆盖一层铜褐色的薄膜，随着裂纹深度向内扩展，逐渐变色，至裂纹深处时，断口表面则覆盖一层黑褐色的薄膜。采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)技术，对不同深度断口面的微观形貌和微区化学成分进行分析。在去除断口表面薄膜前，断口在扫描电镜(SEM)下的微观形貌见图3。由图3可见，裂纹断口表面大都覆盖一层薄膜，采用EDS对断口表面微区的化学成分进行分析，结果见图4。由图4可见，裂纹断口的化学成分主要为Fe、O、Cu。裂纹源处和裂纹深处均检测到Cu元素的存在，其含量存在明显差异且远高于母材的Cu含量，见表1。综合断口宏观检查时观察到颜色变化趋势，可推断断口表面的薄膜主要为铜和氧化物。

a)裂纹源处

b)裂纹深处图3 除去表面薄膜前断口的SEM照片

a)裂纹源处

b)裂纹深处图4 EDS测试结果

表1 微区化学质量成分 ()

去除断口表面薄膜后，再采用SEM观察断口的微观形貌。裂纹断口表面依然可见未完全除去的薄膜，断口表面二次裂纹被观察到，沿晶开裂的微观特征也被观察到，见图5。更高放大倍数下的断口沿晶开裂特征见图6。

a)裂纹源处

b)裂纹深处图5 裂纹断口的SEM照片

图6 冰糖状沿晶开裂的断口特征

3 产生裂纹的原因分析

根据对裂纹断口的微观形貌和微区化学成分分析，在断口表面存在Cu元素，断口呈现沿晶断裂特征，分析表明：本次弯管出现裂纹主要是由于液态金属脆化引起，即铜脆。对母材的金相组织和理化性能测试结果表明：Cu不是来自母材自身，而是源自外部。综合弯管宏观检查结果，焊管表面局部区域发现有铜，从其制造过程分析，可能是焊接时焊接电缆胶皮破损，露出铜线，与焊管接触打弧，铜线熔化粘在焊管表面。

铜的熔点为1 083 ℃，本次热煨弯管工艺的感应温度在900～1 000 ℃。然而，在煨制过程中，加热温度可能会有一定波动，此外，材料在变形过程中也会因释放变形能而导致温度升高，从而使得弯管外弧侧的实际温度可能会高于1 083 ℃，导致Cu熔化并沿晶界渗入L 360螺旋管基体，弱化管体力学性能。

根据冶金过程热力学[10]，Cu和Fe的氧化物的标准生成自由能分别为：

ΔF0=-80 000+34.6T

(1)

ΔF0=-124 100+29.9T

(2)

由式(1)、(2)可见，Cu2O相比FeO具有更高的稳定性，因此，Fe会被优先氧化，导致裂纹断口表面覆盖Fe的氧化物和富集Cu。

在热煨弯制过程中，弯管外弧侧受弯曲拉应力，由于Cu浸入基体使得晶粒间的结合力被弱化，在拉伸应力作用下使得基体导致沿晶型裂纹。在消应退火时，由于空气进入裂纹缝隙，裂纹表面进一步氧化，对裂纹有撑开的效果，致使原来不明显的裂纹变得明显可见。

该制造厂再次采用相同的生产工艺进行热煨弯管制造，在生产过程中避免了Cu的影响，生产出来的弯管全部合格。

4 结论与建议

L 360螺旋管管体表面的Cu污染是导致在热煨弯制过程弯管出现裂纹的主要原因，实际生产中应避免任何与Cu接触的环节。

为了进一步加强弯管生产质量控制，用于制造弯管的母管在制造、搬运、装卸过程中不允许与低熔点金属接触，否则应采用喷砂等适当方法清除，以免造成弯管不合格。

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2015-09-27

国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”(2011 ZX-05059)

荣 明(1986-)，女，湖北仙桃人，工程师，硕士，从事石油化工管道设备的设计与研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.015