某L245N 等径三通开裂失效分析

2021-04-07胡志强杨专钊李德君张骁勇

焊管 2021年2期

胡志强，杨专钊，李德君，霍轩，张骁勇

（1. 西安石油大学材料科学与工程学院，西安710065；2. 中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；3. 中石油煤层气有限责任公司，北京100000）

管道三通是压力管道系统必不可少的元件。在石油石化行业，管道三通使用极为广泛，其设计按照压力管道准则，并且其承压能力高[1-2]，一旦发生泄漏将会造成严重的安全事故和经济损失。相对于直管段来说，三通由于其结构复杂、几何不连续性、存在不等厚情况，易造成很大应力集中[3]。在正常工况下，三通也存在局部的屈服。因此，对于三通的研究，要结合其具体使用部位及所使用装置的特点进行分析[4]。

2019 年7 月，某井在试采交接完成开井生产时，距井口6 m 处的三通本体出现裂痕并发生泄漏，失效时管线压力为2.7 MPa，而该管线的设计压力为6.4 MPa。失效三通为等径无缝三通，直径100 mm，材质L245N。笔者对本次三通的失效原因进行了详细的分析，为避免类似事故的再次发生提供参考。

1 裂纹检测及断口分析

观察发现裂纹源位于三通本体近支管处，如图1 所示。将失效三通沿纵向对称剖开，对三通内、外壁进行荧光磁粉检测，外壁未见裂纹，但内壁多处可见裂纹。发生断裂失效的三通，其断口位于三通主管和支管交汇处，断口平坦，呈现明显的宏观脆性断裂特征，如图2所示。图2 中红色圆圈所示即裂纹源所在的位置。根据图3 所示的裂纹源形貌可以判断裂纹由内壁启裂。用线切割方式将断口上的裂纹源区整体切割下来，彻底清理后，进行断口微观形貌分析，分析设备为VEGA ⅡTESCAN 型扫描电子显微镜。图4 为断口裂纹源区扫描电镜形貌，由图4 可以清晰地看出裂纹由内壁起裂向外壁扩展。图5 为微裂纹扩展区微观形貌，呈现准解理断裂特征。

图1 裂纹源在三通本体上的位置

图2 失效三通宏观断口形貌

图3 失效三通裂纹源区放大图

图4 失效三通断口裂纹源区形貌

图5 失效三通微裂纹扩展区形貌

2 理化性能分析

2.1 化学成分分析

在三通本体上取样，依据GB/T 4336—2016标准，用ARL 4460 直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。由表1 可知，三通化学成分满足GB/T 9711—2011[5]对L245N 钢的要求。

2.2 金相分析

从三通断口裂纹源附近取金相分析试样，依据GB/T 13298—1991、 GB/T 10561—2005、 GB/T 4335—2015、 GB/T 6394—2002 标准，用MEF4M金相显微镜及图像分析系统进行金相分析。结果表明，失效三通金相组织为铁素体+珠光体，且有明显的变形组织特征，铁素体晶粒垂直于原始轧制方向，即沿厚度方向被拉长，且本应平直的带状组织也由于变形而发生弯曲，呈波浪状分布，如图6和图7 所示。在裂纹源附近金相组织中还观察到内壁上的微裂纹缺陷（图7 红圈位置），失效三通的带状组织较为严重。根据GB/T 9711—2011 标准要求， L245N 最终热处理状态应为正火态，其正常金相组织应为等轴状铁素体和珠光体，而失效三通金相组织内仍可观察到大量冷变形畸变晶粒。

表1 三通管体化学成分分析结果

图6 失效三通畸变的组织

图7 失效三通内壁上的微裂纹

对于直径300 以下的无缝三通，一般采用冷胀成型工艺进行生产，即无缝钢管在封闭的模具内，通过液压使其产生金属塑性流动的一种三通成型工艺，其工艺流程如图8 所示。将涂有润滑剂的一小段无缝钢管放入模具内，上下合模，左、右端模同步运动与管段端面接触密封，同时注入高压油使其完全充满管段内腔，左右端模同步运动挤压管段，管段被压缩的同时内腔体积缩小，迫使管段内的高压油压力上升至需要的“初压” 压力范围，管段在左右端模向中心挤压的压力和管段内油液的压力下，开始胀出支管，左右端模继续运动，使管段内油液由压力上升至成形所需的压力范围或称终压，此压力保持到成形结束。同时左右端模不断向中心运动，对于胀出部分给予及时的补偿，直至支管完全胀出，之后脱模，三通冷胀成形完成。由此不难看出，三通成型过程实质是一个冷塑性加工过程，钢铁材料在室温下进行塑性变形时，会产生形变硬化，钢的强度、硬度升高，塑性与冲击韧性降低[6]。与此同时，钢的微观组织也会发生变化，晶粒会沿形变方向被拉长，原本等轴状的晶粒会逐渐变成扁平状（见图6）。

图8 三通冷胀成型工艺流程图

根据GB/T 9711—2011 标准要求， L245N 最终热处理状态应为正火态，冷胀成形后的三通被重新加热到完全奥氏体区，此时材料内部将发生再结晶，冷变形畸变的晶粒将被等轴晶所取代，图9 为L245N 正火态微观组织，铁素体呈等轴状。就其力学性能而言，经正火后，钢的塑性、韧性得到恢复，硬度降低。

图9 L245N 管线钢正火态微观组织

2.3 力学性能

依据ASTM E10—18 标准，用维氏硬度计对失效三通断口裂纹源附近管体进行硬度测试，测试点如图10 所示，测试结果见表2。纵向维氏硬度总计测试21 个点，平均硬度值242 HV，所测试样各点硬度分布均匀；横向维氏硬度总计测试18 个点，平均硬度值234 HV，所测试样硬度分布较为均匀。失效三通的硬度测试结果明显高于标准对L245N 管线钢的硬度要求，标准要求L245N 管线钢的硬度应≤197 HBW，对应的维氏硬度不应高于210 HV。

图10 失效三通断口裂纹源附近管体维氏硬度测试点

表2 失效三通断口裂纹源附近维氏硬度测试结果

在失效三通本体上沿纵向切取夏比V 形缺口冲击试样，由于受壁厚限制，试样尺寸为5 mm×10 mm×55 mm。试样V 形缺口的开设方向与裂纹扩展方向平行，冲击试验结果见表3。由表3可知， 0 ℃下失效三通本体的冲击功最大值仅为2 J，三通本体脆性明显，显著低于GB/T 9711—2011 标准要求。

表3 三通管体夏比冲击试验结果（0 ℃）

3 分析与讨论

本研究失效三通为脆性断裂失效，裂纹起源于三通本体支管与主管交汇处的内表面，且更加接近支管部位。金相分析表明，失效三通微观组织具有明显的冷变形特征，三通成型过程中在内壁形成微裂纹，微裂纹发展为裂纹源，成型后的三通没有按相关标准要求进行正火处理，形变硬化导致的三通本体塑、韧性损失没有恢复，最终导致三通脆性断裂[7]。

荧光磁粉检测及金相检测结果表明，三通内壁存在裂纹等缺陷，主要是由于成型工艺控制不当造成的[8]。如前所述，对于直径300 mm 以下的无缝三通，一般采用液压冷胀成型工艺制造。如图6 和图7 所示，金相组织内保留的大量冷变形畸变晶粒是三通冷胀成型的直接证据。金相分析结果表明，主管的晶粒沿壁厚方向被拉长，这也是由三通液压胀型工艺特点所决定的[9]。通常情况下，无缝三通液压胀型工艺控制不当或原材料存在问题时，就会产生严重的缺陷，主管与支管过渡区直裂纹就是最为常见的缺陷之一。有研究表明，主管与支管过渡区直裂纹缺陷主要与三通成型工艺、原材料强度过高有关，或与原材料晶粒粗大、带状组织严重等微观组织缺陷有关，此时管材无法承受这一区域的剧烈变形，便会导致管体开裂或形成裂纹。此次失效三通的裂纹源正好处在主管与支管的过渡区，且三通微观组织内存在较为严重的带状组织[10]。

另外，三通在冷成型过程中，三通支管是通过附加在主管两端和内壁的高压作用，使主管金属在外模束缚下向支管模内流动而形成的[11]。三通冷胀成型过程的实质是对金属材料进行塑性加工的过程。塑性变形导致的形变硬化，使材料强度、硬度急剧升高，韧性下降。根据断裂力学可知，材料的冲击韧性通常正比于材料的断裂韧度，冲击韧性的降低意味着材料的缺陷容限的降低，这样即便是较小尺寸的缺陷和较低的应力水平也会导致构件的断裂[12]。

对于冷胀成型的三通，应在成型后立即进行正火处理使其塑韧性得以恢复。 GB/T 9711—2011 标准就要求L245N 钢交货时的状态为正火态或正火+回火态[13]。所谓正火就是将钢加热到Ac3以上进行完全奥氏体化，然后在空气中冷却（有时风冷或喷雾冷却）的热处理过程[14]。对于L245N 这类的低碳钢，正火加热温度是Ac3+（100～150） ℃，正火保温过程中，其微观组织内畸变的晶粒将发生再结晶形成新的等轴晶，并且冷变形导致应变硬化作用将被消除。此次失效的三通微观组织内存在大量畸变的晶粒，且硬度明显高于标准值，冲击韧性显著低于标准值，表明失效三通冷胀成型后没有进行正确的热处理，其交货时的热处理状态不符合GB/T 9711—2011 标准的要求。若失效三通成型后经过正火处理，即使在成型过程中形成了裂纹，三通也不会发生脆性断裂[15]。

综上所述，本研究中的失效三通由于成型过程中工艺控制不当，从而在内表面产生了裂纹和微观缺陷；成型后的三通没有经过正确的热处理，导致其塑韧性无法恢复到正常状态，因此在试采交接过程中，裂纹失稳扩展，三通发生脆性断裂失效。