管线管管端裂纹的产生原因分析与预防

管线管管端裂纹的产生原因分析与预防

王超1  庄旭2  乔梁1

1.天津钢管制造有限公司   2.阿美亚洲  

摘要：管线管广泛应用于石油输送工程中，若钢管存在裂纹将会导致管线失效，影响石油输送，严重时还会导致环境污染。本文通过对某项目管线管管端裂纹分析，查找生产过程导致裂纹的根本原因，发现轧管过程隐患，提出预防措施，防止类似问题的再发生。

1.引言

某油气输送管线工程在管线管焊接时，发现1支钢管管端坡口处存在纵向裂纹，裂纹缺陷形貌为穿透性裂纹，裂纹缺陷长度23mm，管线管规格114.3×6.02，钢级Gr.B。裂纹缺陷细小，肉眼检查不易被发现；采用超声波探伤设备按U2级别检测，当探头外侧边缘与钢管端面齐平时，有回波信号但没有达到报警值，将探头外侧边缘移出钢管端面以外，使探头晶片全部覆盖裂纹缺陷时，能够产生报警信号，信号超差6dB。裂纹缺陷属于危险性缺陷，若不能在制造过程中得到有效控制，会给工程项目造成巨大的损失。为此，笔者取样进行了失效分析，并提出了改进意见。

2.试验分析

2.1.化学成分分析

依据ASTM A571采用光谱仪对样品进行化学成分分析，分析结果如表 1所示。实测值符合API 5L 对X42钢级成分的技术要求。

表1化学成分分析结果                    %

2.2.力学性能试验

依据ASTM A370-2021标准要求进行拉伸试验、冲击试验（纵向、10x5mm、V型缺口、20℃）、维氏硬度试验。拉伸试验数据表明，试验结果满足标准要求；冲击试验、硬度试验虽然在标准中没有具体要求，但从试验数据来看，冲击功和硬度值与原管体试验数据基本一致。

2.3.金相检验

在样品基体部位取剖面试样，抛光后经硝酸酒精溶液侵蚀，用 ZEISS 光学显微镜进行显微组织观察，结果为回火贝氏体和铁素体，未见异常组织。基体晶粒度为9.0级，实测值符合API 5L 第46版对X42钢级成分的技术要求。

2.4.断口硬度试验

对断口周边进行进行硬度检验。试验方法采用HV0.1，在钢管周向端面的壁厚中部，沿距断口2mm至20mm的方向上进行了10个点的硬度检测，硬度值分布在148~170之间，没有明显的变化趋势。通过硬度值的检验分析，硬度没有明显的变化，可以排除局部强度变化较大导致的应力分布不均的致裂因素。

2.5.断口分析

在裂纹部位切取试样，打断裂纹端口观察，断口面呈脆性断裂，无明显的韧性断裂区域，属非正常开裂。试样抛光后横向观察，断口周围未发现夹杂物和高温氧化物，断口纵向扩展尾部未完全裂透。腐蚀后观察，断口周围无氧化脱碳现象，组织与基体的相同，均为回火贝氏体+铁素体，晶粒度为9.0级。断口经扫描电镜观察及能谱分析，无明显的开裂、扩展、瞬断特征，整个断口的锈蚀产物均为氧化铁。

2.6.试验结果讨论分析

从缺陷样品的失效分析结果可以判断，成分分析显示成分均匀，没有明显的偏析现象，金相检验没有发现明显的超长夹杂物，管端开裂基本可以排除炼钢过程异常导致开裂。

从缺陷周围的硬度检验以及金相组织分析结果可以推断，基于钢管基体材料设计等因素，钢管材料选用为低碳钢，成分以C、Mn为主，没有产生淬火裂纹的基础，管端开裂也可以排除热处理过程导致的淬火裂纹。

从缺陷周边硬度和缺陷特征分析可以推断，断口周边硬度分布均匀，坡口完整无变形，且Gr.B钢级较低，钢管在冷态下，如果没有裂纹源即使有较大外力作用，也只会发生形变而不会导致脆性开裂。

3.模拟验证实验

为了进一步深入分析裂纹产生原因，用同材质、同钢级、同规格的钢管取8个试样进行不同热处理状态和预制裂纹的模拟实验，实验方案如表2所示。

表 2实验方案

3.1.压扁模拟试验

对1#轧态试样、3#淬火态试样、5#调制态试样、8#内壁预制人工缺陷的调质态试样进行压扁试验，试验结果显示，1#、3#、5#试样经过一次压扁、二次压扁试验，试验结果完好无裂纹，符合标准要求；8#试样尽在预制裂纹处缺陷延展，其它部位完好无裂纹。

3.2.残余应力模拟试验

使用开槽法对2#轧态试样、4#淬火态试样、6#调制态试样进行残余应力测试，测量数据及残余应力值，实验结果显示，轧态和调质态试样残余应力很低，属正常水平，淬火态试样残余应力较高。

3.3.热处理的脱碳实验

在7#试样外壁预制2mm人工缺陷后进行调质处理，处理后观察人工缺陷部位的形貌，无明显的脱碳现象。

3.4.模拟实验分析结论

1)压扁实验表明，轧态、淬火、调质三种状态的试样均完好无裂纹，证明在材料没有原始缺陷的状态下，运输、仓储过程中的堆放压力不会产生裂纹缺陷。

2)残余应力实验表明，此种材料的钢管在轧态和调质态的残余应力很低，在正产的生产工艺下，不会产生较高的残余应力。

3)脱碳实验表明，在热处理前，钢管即使存在原始缺陷，此种材料的钢管经过热处理后，在缺陷边缘也不会产生明显的脱碳现象。

4.产生原因分析

通过上述试验分析和实验验证，基本排除了炼钢、热处理以及仓储运输过程导致的裂纹。根据缺陷形貌及上述分析，我们认为，轧管过程产生开裂的可能性较大。

为了查明原因，对品种的管线管轧制过程进行了调查分析，轧制工艺过程包括：铸坯切割→环形炉→穿孔→三辊连轧→张力减径→定尺切割→矫直→涡流探伤→人工检验→入库。在管排锯定尺切割过程发现，每个管排6支钢管同时锯切。管排轧制方向的管尾对齐，切尾长度1000mm，尾部锯切后，再按照计划长度锯切定尺；其中第三个定尺钢管采用被动锯切的方式进行锯切，剩余部分为钢管轧制的头部（锯切后的管头）。调查还发现，由于张力减径变形较大，在管坯定尺偏差较大时，母管长度波动偏差达2m左右，母管一端对齐进行切头，然后进行二次、三次定尺分切，在第四次切尾时，切尾为随机长度，在管排中的个别母管长度较短时，管排锯切在毛头不规则褶皱处，锯齿的持续作用力对褶皱处的冲击，使褶皱处的微小发纹扩展导致管端开裂，锯切位置如下图所示。

5.预防措施

1)对坯料尺寸加强控制，降低铸坯长度和外径偏差导致的投料量波动，通过控制铸坯公差范围，减少轧制母管长度波动，防止管排锯切割在管端褶皱处。

2)改变切头工艺，在分切末尾毛头时，采用尾对齐的方式进行主动切头，防止管排锯切割在毛头褶皱处。

3)在轧管过程锯切工序，强化对切尾位置的检验，当出现切尾在褶皱处时，应进行标记，将信息传递至精整工序进行探伤检验或进行管端再切。

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