某输送管道金属损失缺陷成因分析

王高峰， 孙宝龙， 王 飞， 黄亮亮， 任国琪，张 皓， 吴 峰， 徐 鹏

（1. 中国石油集团石油管工程技术研究院， 西安 710077； 2. 国家石油天然气管网集团有限公司西气东输公司， 上海 200120； 3. 国家石油天然气管网集团有限公司银川输气分公司， 银川 750001）

2013 年， 某X65 钢级Φ610 mm×8 mm 输送管道管体内检测时， 发现一处较为严重的金属损失缺陷， 开挖后发现为外部金属损失。 为保证管道安全运行， 现场采取管帽焊接修复的方式对该处缺陷进行了修复。 为更好地掌握该类金属损失缺陷的形成原因、 影响因素和机理， 减少事故的发生， 达到管道完整性管理的要求， 本研究对该输送管道管体缺陷取样， 进行失效原因分析。

1 宏观分析

为了对管道缺陷进行分析， 将扣帽切除， 切除后管道缺陷部位原始形貌如图1 所示。 对表面进行清除后发现缺陷部位已被非金属物质填充，对填充物进行了剥离和收集， 并在后期进行了成分分析。 填充物剥离后， 缺陷宏观形貌如图2 所示， 由图2 可知， 该管道缺陷为金属损失类凹坑，凹坑直径约为10 mm， 深度约为7 mm， 凹坑内表面较为光滑， 边缘局部分布着熔敷金属， 由此可推测， 该金属损失类凹坑并非由腐蚀导致。

图1 管道失效部位原始形貌

图2 管道缺陷宏观形貌

2 金相组织分析

为了分析管道凹坑缺陷的形成原因， 对管道缺陷部位进行了金相分析取样。 由于缺陷呈圆形凹坑形状， 因此沿缺陷中心位置和垂直壁厚方向将其剖开， 剖开方向与管道轴向呈约45°夹角， 以分析凹坑深度形貌、 熔敷金属情况和凹坑内表面情况。

金相试样制备完成后， 利用MEF4M 金相显微镜及图像分析系统对缺陷部位进行显微组织分析， 缺陷试样剖开后横截面低倍形貌如图3所示。 由图3 可以看出， 该凹坑缺陷几乎穿透整个钢管壁厚， 深度为7 mm 左右 （管道壁厚为8 mm）。 进一步观察可见， 缺陷试样横截面明显存在3 个区域， 分别为管道母材区、 热影响区以及熔敷金属区， 各区域的金相组织形貌如图4 所示。

图3 缺陷试样横截面低倍形貌

图4 缺陷试样横截面各区域金相组织形貌

由图4 可以看出， 远离凹坑的管道母材区组织主要为粒状贝氏体+铁素体+珠光体（图4 （a））；热影响区组织主要为托氏体+铁素体（图4 （b））；熔敷金属区存在诸多细小裂纹和孔洞（图4 （c）），其中一些较大的裂纹起源于孔洞， 熔敷金属区组织以典型的马氏体为主（图4 （d））， 表明熔敷金属区经历了高温奥氏体状态并急速冷却的过程，钢中马氏体最显著的特点是强度和硬度高， 马氏体转变速度极快， 转变时体积发生膨胀， 在钢的内部形成了很大的内应力， 若不及时回火， 则易产生裂纹缺陷[1-2]。

3 X 射线能谱分析

为了进一步明确缺陷试样横截面3 个区域的主要组成元素， 分析其形成原因， 对金相试样进行了X 射线能谱分析， 重点对比了熔敷金属区域和母材区域的能谱分析结果， 如图5 所示， 各元素含量占比见表1。 能谱分析结果表明， 熔敷金属区域和母材区域均以Fe、 Mn、 C 元素为主， 且两个区域相同元素含量占比相当， 表明熔覆金属并非外来物熔化形成， 即管道母材经历高温熔化 （奥氏体状态） 后急速冷却所形成。

图5 熔敷金属区及母材X 射线能谱图

表1 熔敷金属区及母材X 射线能谱分析结果

4 填充物XRD 分析

为研究填充物的组分， 对割开管帽后收集的填充物进行了XRD 分析， 结果如图6 所示。 通过数据对比分析可知， 该填充物主要成分由滑石粉和氧化铝组成。 调研资料表明， 该管道缺陷在管帽焊接修复之前， 由缺陷修复人员采用一种填充材料对凹坑进行了填充， 多方询问当时现场人员确定该填充材料为速成钢， 其主要组成为滑石粉和氧化铝， 为一种胶泥状胶棒， 粘合快， 固化后强度大、 硬度高、 耐化学腐蚀[3-5]， 与收集的填充物性质基本一致。

图6 填充物质XRD 分析图谱

5 分析与讨论

宏观观察分析可知， 管道缺陷为圆形状凹坑， 清除内部填充物后， 凹坑边缘明显分布有熔敷金属。 金相组织分析结果可知， 凹坑内表面也存在熔敷金属， 横截面明显存在三个区域， 即管道母材、 热影响区和熔敷金属区， 其中管道母材组织以粒状贝氏体+铁素体+珠光体为主， 热影响区主要以托氏体+铁素体为主， 熔敷金属区以马氏体为主， 表明熔敷金属区经历了高温奥氏体状态并急速冷却过程。 X 射线能谱分析结果表明， 熔敷金属区和母材区均以Fe、 Mn、 C 元素为主， 且两个区域同一元素的含量相当， 表明凹坑表面熔敷金属并非外来物熔化形成， 即管道母材经历高温熔化后急速冷却后所形成。

就高温热源而言， 文献[6]中记载了管道在环焊缝焊接施工过程中， 焊接电极与管道接触不良产生电弧放电， 导致管道高温烧蚀损伤； 文献[7]中论述到管道在制管过程中， 焊接电极 （铜线缆） 在内壁与管道接触， 在焊接大电流的作用下产生电弧， 温度急剧升高， 管道内壁母材及铜线缆熔化， 从而导致管道高温烧蚀损伤开裂。 但是从以上两个案例中管道烧蚀损伤的宏观表象来看， 管道烧蚀损伤并未导致管道熔融金属缺失，即金属熔化后在原位置结晶凝固， 而本案例凹坑中的熔融金属已经缺失。 文献[8-10]均分析了长时雷击对金属材料的影响， 结果表明长时雷击产生的电弧高温会对材料性能产生影响， 除了对金属表面造成烧蚀损伤外， 还对金属内部结构造成了损伤， 形成气孔裂缝等缺陷， 文献[8]和文献[9]中的长时雷击对金属表面的烧蚀损伤如图7 所示， 图7 中的金属受雷击表面烧蚀损伤宏观表象与本案例相似。

图7 雷击对金属表面的烧蚀损伤

雷电电弧放电对金属部件局部电弧侵蚀的机理为： 在受到长时间雷击电流与被雷击金属部件电弧放电过程中， 其金属部件表面局部由于电弧产生高温导致金属熔化形成液态熔池，然后产生金属粒子强烈蒸发或喷射， 使金属粒子蒸气以一定速度从金属部件表面局部发射出来， 随着长时间雷击电流与金属部件的电弧放电结束， 在金属部件表面局部形成电弧坑放电， 高温熔化产生气体， 而在电弧放电结束的降温凝固过程中， 气体来不及逸出残留在凝固区， 从而形成气孔， 以及在电弧坑附近金属区域中因电弧的产生与结束导致温度剧烈变化的热熔合区 （包含凝固区和部分热影响区） 内形成裂纹[8]。

综上所述， 可以推测由于管道遭受雷击， 管道母材经历了高温损伤熔化（奥氏体状态） 后急速冷却形成一层以马氏体组织为主的熔敷金属，且由于熔池较小， 冷却速率快， 熔化过程中进入熔池中的气体等不能及时逸出， 最终形成多处孔洞。 同时， 马氏体组织硬度高、 脆性大， 在外来或残余应力作用下， 以孔洞为源区产生了大量裂纹。 缺陷形成后， 进行现场修复时， 采用了速成钢对凹坑进行填充， 填充后采用管帽焊接修复的方式完成了最终修复。

6 结 论

（1） 管道缺陷为类圆形状凹坑， 凹坑边缘和内表面存在熔敷金属。 金相组织分析结果表明，缺陷横截面明显存在三个区域， 即母材区、 热影响区和熔敷金属区， 熔敷金属区和母材区均以Fe、 Mn、 C 元素为主， 该管道缺陷是管道母材经历了高温损伤熔化（奥氏体状态） 后急速冷却形成一层以马氏体组织为主的熔敷金属。 缺陷形成后， 进行现场修复时采用了速成钢对凹坑进行填充， 填充后采用管帽焊接完成了最终修复。

（2） 通过文献调研分析， 本次管道缺陷与雷击损伤特征（会使金属表面出现凹坑、 突起、 或者小圆孔， 呈熔融状等） 相似， 推测该缺陷可能为雷击损伤所致。

（3） 对于埋地管道， 雷击损伤的可能性不大，本案例是管道在存储过程中产生的。 为避免类似情况的发生， 建议应将管道存储在雷电较少的地方。 此外， 也可以在管道存储场地安装霹雷装置。