管线钢失效分析

1、管线钢的失效分析目录管线钢的见解与发展1失效分析简介8三16Mn钢油气集输管线弯管失效分析12一.管线钢的见解与发展管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管用于热轧卷板或宽 厚板。管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的 低温韧性和优良的焊接性能。油气输送管线用钢板的品种：美标牌号及对应国标BL245NB/L245MB,X42L290NB/L290MB,X46,X52L360NB/L360MB,X56,X60L415NB/L415MB,X65 L450MB ,X70 L485MB,X80 L556MB与用于西气东输工程所用的X70管线钢相比，X80管线钢的屈服强

2、度与其 相当，但抗拉强度却高于X70管线钢。API Spec 5L包括的钢级如下表所示，钢级用最低屈服强度的前两位数字表 示。管道运输石油和天然气是最经济、最方便、最主要的运输方式之一，随着 国内石油和天然气工业的发展，油气管道建设取得了长足的进步。“西气东输” 工程西起新疆轮南，东至上海，全长4000 km，设计输气压力10 MPa，管径最大1016 mm,在国内管道发展史上具有划时代的意义。“西气东输”工程极大地 推动了我国管线钢的发展，为管线钢的发展创造了契机。目前，我国宝钢、武钢 和太钢等企业生产X70级以下管线钢的工艺技术已经成熟，并已形成一定的生 产批量，X80级以上管线钢也在研发

3、过程中。为保障管线的安全可靠性，在提高管线钢强度的同时，还要相应提高其韧 性。管线钢在成分设计上，大体上都是低碳、超低碳的Mn-Nb-V（Ti）系，有的 还加入Mo、Ni、Cu等元素。现代冶金技术可以使钢有极高的纯净度、高的均匀 性和超细化品粒，从而为管线钢的发展创造了条件。1. 1管线钢的力学性能和工艺性能强度和韧性由于输气管道输送压力的不断提高，管线钢的强度也由最初的295360 MPa （相当于API标准的X42X52级管线钢）提高到526703 MPa （相当于 X80X100级管线钢）。西气东输管线对钢材的性能要求见表1 1。高强度管 线钢的屈强比也是管线钢中的一个重要指标。屈强比表

4、示材料的塑性变形能力， 即材料从屈服到最后断裂过程中材料的强度和变形能力，屈强比越低，钢管从产 生始塑性变形起到最后断裂的形变容量越大。随着输送压力的增高，就需要使用 更高强度的钢管，而高强度钢管的屈强都比较高。在很多管线钢管的技术规范中 都对材料的屈强比做了限制，大部分技术要求都把屈强比限制在不大于0.90。表1四代东输管线对钢材件能的要求反服服度 jMPa抗技僦度届程比E伸率冲击韧性，5孙就 570 0 .92API5L要求包辛格效应（Bauchinger Effect）是管线钢强度设计时应充分考虑的问题。实践证明，制成管后总体的包辛格效应表现为钢管的抗拉屈服极限下降，其下降 值与钢管的钢

5、材等级、轧制工艺、化学成分、金相组织、制管工艺和制样方法等 诸多因素有关，难以准确估计更无法计算。所以，钢卷或钢板的屈服极限必须略 大于API5L规定的相应钢号的钢管的屈服值。随着高寒地带油气田的开发，对输送管的低温韧性要求日益增高。韧性是 管线钢的重要性能之一，它包括冲击韧性和断裂韧性等。由于韧性的提高受到强 度的制约，因此管线钢的生产常采用品粒细化的强韧化手段，既可以提高强度又 能提高韧性。另外，钢中杂质元素和夹杂物对管线钢的韧性具有严重的危害性， 因此降低钢中有害元素含量并进行夹杂物变性处理是提高韧性的有效手段。目 前，日本、德国、加拿大、美国等国家管线钢的生产技术达到了相当高的水平，

6、其X80X100高性能管线钢在一10C时的夏比V型缺口冲击功可达400 J以上。 焊接性能钢材良好的焊接性对保证管道的整体性和野外焊接质量至关重要。下页图 1是反映了钢的碳含量、碳当量和焊接性关系的Graville图。近代管线钢的发展 最显著的特征之一就是不断降低钢中的C含量，随着C含量的降低，钢的焊接 性得到明显的改善。从图1可以看到管线钢C含量变化的发展轨迹。钢的化学 成分对高强度钢的焊接性有直接的重大影响，提高焊接性能的有效措施是降低 C、P、S含量和选择适当的合金元素。其次，适当控制Ti、Al等的氮化物和Ti 的氧化物，对降低淬硬性和防止冷裂纹及提高韧性也有好处，加Ca、Re等对防 止

7、裂纹和层状撕裂及提高韧性也有效果。0.40碳弘图 1 Graville 图抗氢致裂纹（HIC）和应力腐蚀断裂（SCC）在输送富含H2S气体的管线里，易发生电化学反应而从阴极析出氢原子， 氢原子在H2S的催化下进入钢中导致管线钢出现两种类型的开裂，即氢致裂纹 （HIC）和硫化物应力腐蚀开裂（SCC）。氢致裂纹是因腐蚀生成的氢原子进入钢后，富集在MnS/a -Fe的界面上， 并沿着碳、锰和磷偏析的异常组织扩展或沿着带状珠光体和铁素体间的相界扩 展，而当氢原子一旦结合成氢分子，其产生的氢压可达300 MPa左右，于是在 钢中产生平行于轧制面、沿轧制向的裂纹。硫化物应力腐蚀断裂是在H2S和CO2 腐蚀

8、介质、土壤和地下水中，碳酸、硝酸、氯、硫酸离子等作用下腐蚀生成的氢 原子经钢表面进入钢内后，向具有较高三向拉伸应力状态的区域富集，促使钢材 脆化并沿垂直于拉伸力方向扩展而开裂。应力腐蚀断裂事先没有明显征兆，易造 成突发性灾难事故。国外对管线钢的抗SCC和HIC进行了深入的研究，并就产 生HIC的三个条件即氢侵入、氢产生、氢扩展，采取了相应的防止措施，即钢 中加入Cu、Cr和Ni等合金元素防止氢侵入，并稳定腐蚀产物；降低钢中硫和 氧的含量，加入钙和稀土，减少夹杂物数量和尺寸等措施。1.2合金元素的作用及成分控制管线钢的成分控制是为了满足管线钢高强度、高韧性、良好的焊接性能及抗HIC性能的要求，表

9、2列出了国际通用埋弧焊管用钢和西气东输用钢材的化学成 分交货技术标准。 2埋弧焊管用钢板的交货技术标准-化学成介) %项目邮tn研册邮i+Oi+功& Rm 0.1 .5顷 d.oi 4).4 0.25 U.I 1.5 0.( 15 0.35 0.20即气东输 .6 叫& U.004 (J.I25 0.5 0.42 林而甘沽网2讲张抻-叫优孔敬15二N尚g &5碳的控制碳是强化结构钢最有效的元素，然而碳对韧性、塑性、焊接性等有不利的 影响，降低碳含量可以改善脆性转变温度和焊接性。对于微合金化钢，低的碳含 量可以提高抗HIC的能力和热塑性，按照API标准规定，管线钢中的w(C)通常 为0.025%

10、0.12%，并趋向于向低碳方向或超低碳方向发展。在综合考虑管线钢 抗HIC性能、野外可焊性和晶界脆化时，最佳w(C)应控制在0.01%0.05%之间。为保证管线钢中低的含碳量，通常是以锰代碳，Mn的加入引起固溶强化， 用锰来提高其强度。锰在提高强度的同时，还可以推迟铁素体一珠光体的转变， 提高钢的韧性，降低贝氏体的转变温度。但如果锰含量过高对管线钢的焊接性能 造成不利影响，有可能导致在管线钢铸坯内发生锰的偏析，且随着碳含量的增加， 这种缺陷会更显著。因此，根据板厚和强度的不同要求，管线钢中锰的加入量一硫、磷、氧的控制硫是危害管线钢质量的主要元素之一，它严重恶化管线钢的抗HIC和SCC 性能。法

11、国SchawwinHoldd等人研究表明：随着钢中硫含量的增加，裂纹敏感 性显著增加，只有当w(S)0.001 2%时，HIC明显降低。硫还影响管线钢的冲击 韧性，硫含量升高，冲击韧性值急剧下降。另外，硫还导致管线钢各向异性的产 生，在横向和厚度方向上韧性恶化。管线钢对硫含量的要求很苛刻，某些管线钢 要求w(S)0.002%，甚至有的要求达到0.001%。磷在钢中是一种易偏析元素，偏析区的淬硬性约是碳影响的2倍。磷还会恶 化管线钢的焊接性能，显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使 钢管发生冷脆。所以，对于高质量的管线钢应严格控制钢中的磷含量。钢中氧含量的增加导致氧化物夹杂增多，严重

12、影响管线钢的洁净度。而钢 中氧化物夹杂是管线钢产生HIC和SCC的根源之一，危害钢管的性能。为减少 氧化物夹杂的数量，一般把铸坯中w(O)控制在0.001%0.002%，目前，世界上 最具竞争力的管线钢的w(O)0.001%。铌、钛、钒等元素的控制管线钢中的微合金元素主要是指Nb、V、Ti等强氮化物形成元素。其作用 之一是在控轧过程中阻止奥氏体品粒长大；另一作用是在轧制时延迟奥氏体的再 结品。钛可以产生中等程度的品粒细化及强烈的沉淀强化作用。钛与钢中的C、 N等形成化合物，为了降低钢中固溶氮含量，通常采用微钛处理，使钢中的氮被 钛固定，同时，TiN可有效阻止奥氏体品粒在加热过程中的长大。钥的溶

13、解度较 低，对奥氏体品粒长大及阻止再结品的作用较弱，主要是通过铁素体中C、N化 合物的析出对强化起作用。钥有较高的沉淀强化和较弱的细化品粒作用，一般在 管线钢设计中不单独使用钒。钼也是管线钢中主要的合金元素之一，随着钼含量 的升高，抗拉强度升高。铌是管线钢中不可缺少的微合金元素，铌可以产生非常显著的品粒细化及中 等程度的沉淀强化作用，并能改善低温韧性。为使X70钢的热轧板卷达到最优 的力学性能，合理的w(Nb)应为0.05%0.08%。随着钢中铌含量的增加，强度 增加效果显著，并且当铌加入量w(Nb)0.09%时，韧性没有下降。管线钢的合金成分设计向低碳、超低碳方向发展，合金元素的加入多样化。

14、 通过合理加入Nb、V、Ti、Ni、Cr、Cu等合金元素，来保证钢的力学性能和工 艺性能的要求。管线钢性能要求的发展趋势是向高强度、高韧性、可焊性强及高 抗腐蚀性的方向发展。这就要求在管线钢的生产工艺中，必须综合应用高效铁水 预处理、复合炉外精炼、先进的连铸技术和控制轧制、控制冷却等技术。二.失效分析简介判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效的对策的技术 活动和管理活动，叫失效分析。失效分析的主要目的：通过对失效件的分析，明确失效类型，找出失效原因，采取改进和预防措施， 防止类似的失效在设计寿命范围内不再发生，从而使产品质量得以提高。注意：不在于造出具有无限寿命的机械，而是

15、确保机械产品在给定的寿命期限内 不发生早期失效，或者把机械失效限制在给定的范围之内。2.1失效分析的基本技术金相分析制样、磨、抛、浸蚀、观察、分析。断口分析较多应用扫描电镜力学性能测试拉力试验机、冲击试验机、硬度计、疲劳试验机。化学分析及理化性能成分、密度、导热性、热膨胀性，耐腐蚀性等。结构分析X射线衍射仪。2.2失效类型的鉴别常见失效形式分为四大类：变形失效、断裂失效、腐蚀失效、磨损失效，各种失效形式均有其产生条件、特征及判断依据。A变形失效金属构件（零件）在外力作用下产生形状和尺寸的变化称为变形。预防，也会导致很大的损失，因为过度的变形最终会导致断裂。（1）弹性变形遵从“虎克定律”o=Ee

16、 E一弹性模量（2）塑性变形 外加应力超过材料的屈服极限时发生的明显的塑性变形（永久变形）。（3）蠕变变形及应力松驰金属零件在高温长时间作用下，即使其应力恒小于屈服强度，也会缓慢地产 生塑性变形，当变形量超过规定的要求时，会导致零件的塑性变形失效。（高温 指0.3Tm），分为蠕变变形失效和应力松驰失效。B断裂失效定义：构件（零件）在应力作用下，材料分离为互不相连的两个或两个以上 部分的现象.内裂也属断裂C腐蚀失效腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。它是金属与环境 介质之间发生的化学与电化学作用的结果（化学腐蚀、电化学腐蚀）。范畴。D磨损失效相互接触并作相对运动的物体由于机械、物

17、理和化学作用，造成物体表面材 料的位移及分离，使表面形状、尺寸、组织和性能发生变化的过程称为磨损。 特点：磨损是零件失效的重要形式之一。磨损是一个逐渐发展的过程。2.3引起失效的原因A、设计上的缺点例：脆性断裂一应选择冲击韧性高，缺口韧性好的材料。韧性断裂一拉伸强度、剪切强度、屈服强度高的材料。弹性变形一屈服强度高的材料蠕变失效一工作温度下的蠕变率及持久强度腐蚀一耐腐蚀好的材料。B材质原因包括化学成分超差，品粒粗大，夹杂物多，存在裂纹、气孔等。C制造（工艺）原因工艺过程中产生的缺陷是零件失效的重要原因。1、铸件：铸造过程中产生的气孔、疏松、夹渣、缩孔等。2、锻件：折叠、接缝、收缩、锻造流线花样

18、等。3、焊接件：未焊透、偏析、冷热裂纹等。4、机加工件：尺寸公差、表面粗糙度不合适、园角不到位等。5、热处理：淬裂、硬度不足，脱碳、增碳、回火脆性等各种缺陷。6、加工：磨削裂纹、残余应力、线切割电火花加工缺陷等。D安装调试原因安装过程达不到质量要求，导致零件失效。1、啮合件间隙不合适（过紧、过松）2、连接零件防松不可靠。3、焊接、铆接时探伤不细致。4、润滑与密封装置不良。5、缺失零件不仔细检查E运转、维修原因1、不正确的运转工况，严重超载、超速、超温运行。2、润滑方式不对3、未按规定保养维修。F人为因素1、工作马虎，不负责任，违反操作规程。2、缺乏安全知识，使用和操作知识不够。3、不负责任，以

19、次充好。4、人为破坏。三16Mn钢油气集输管线弯管失效分析石油管中的管柱、油套管柱、集输管线和输送管线是石油天然气采集、储 运系统最为重要的一部分，由于石油管及集输管线的损伤失效造成的油、气管线 破裂泄露,往往给油气田造成重大经济损失，还会导致爆炸燃烧，造成伤亡灾难 性事故和环境污染等。调查数据表明，石油与石化行业因腐蚀造成的损失尤其严 重，约占产值的6 % ,其中国内石油工业因报废所耗费的石油管材每年价值约 100亿元人民币。自20世纪70年代以来,16 Mn钢因具有良好的力学性能、工 艺性能及焊接性能，被广泛应用于石油、天然气储运和油气集输管道。某油田 用油气、混输集输管外径为168 mm

20、、壁厚13 mm的16 Mn钢埋地弯头，使 用5个多月弯头底部开始出现穿孔、爆裂，大修后不久该处弯头又发生爆管， 不得不对其进行了更换。针对事故频发这一现象，对失效弯头进行了分析，确定 失效类型和失效原因，为管线安全运行提供依据。3.1试验方法截取集输管线弯管的失效件进行宏观分析，然后在失效处即裂源区和距裂 源160 mm处分别截取15 mm 15mm试样，用MEF4M金相显微镜及图像分 析系统对弯管失效件显微组织进行分析。采用Baird Spectrovac2000直读光谱仪 对集输管线弯管化学成分进行分析，采用I NCA PentaFETx3型扫描电镜对失效件内壁进行观察和分析，用JS M

21、-5800高倍电子显微镜分析观察膜微观形貌和产物组成，采用X射线衍射仪对产物的物相组成进行分析研究。3.2结果与分析组织结构分析图1所示失效弯头为R= 6 D的大弯弯头，宏观分析发现，在该弯头外表面圆弧 底部有明显的刺漏点，将弯头剖开后在弯管内壁与刺漏点对应区域表面有同流 体方向一致、有一定宽度的U型沟槽，见图1右图所示。经光谱分析，弯头材料 的化学成分为(质量分数% ) 0118 C、01001 2 O、0120 Si、01014 P、01007 S、 01002 2 Ca、1160Mn、01023 Cr、01039 M o、01006 V、01006 T i匚敬.3 Ml，:农,图1失效弯

22、头示意图利戏头内部淘槽宏观形貌F 电 1 Sohan atic bf th e ai3un? ehow iuid in acioscop c in oipha hgy of the gioove ii e hw svi rface距离弯头底部200 mm处取样作为基体样，取弯头顶端腐蚀坑区域试样作 为对照样，分别磨制成金相试样并用3 %硝酸酒精溶液侵蚀，试样组织以板条 状马氏体为主，其间有魏氏体组织(GB /T 13298) 19915金属显微组织检验方法 6),如图2所示。在弯管底部沟槽处与基体取样 ，其夹杂物分析结果为： A015 ,B015 , D015 ;晶粒度等级为610级(GB /

23、T 6394) 20025金属平均品粒度 测定方法6, GB/T 10561) 20055钢中非金属夹杂物显微评定方法评级图谱6)。对 比分析可知，该弯管底部沟槽处与基体组织无明显差异。(a)腐蚀坑周围;(b)基体F 标 2 M irTostnicture of IfiVlii stee 1 elbow at different aira (a) aiuiiul cxnusimi pit ( b)malr代弯头内壁沟槽上有许多腐蚀坑，在腐蚀坑的底部出现应力腐蚀裂纹，裂纹分叉多, 且沿弯管厚度方向向外表面扩展，扩展路径有明显的沿晶扩展形式，表现出应力 腐蚀裂纹的扩展特征，见图3所示。图3腐蚀坑底

24、裂纹及其扩展路径 时坑底裂纹；（h）裂纹扩展路径弯管内壁表面有一层黑色腐蚀产物，弯头顶端内壁沟槽表面的产物少而疏松，产 物下和产物周围有许多溃疡状腐蚀坑、孔和裂纹，其形貌见图4( a)和图4( b) 所示。对产物层成分进行能谱分析，并与其下裂纹不同扩展长度处和无裂纹点微 区进行能谱分析，其结果同16 Mn钢进行对比列于表1。从表1中对比可以看 出,Fe、O、C元素在沟槽处的产物和与两裂纹处的含量都要高于弯管基体中 的含量，尤其是产物中的C、Fe和O元素含量要远高于基体，说明腐蚀产物在 表面浓度最高，并沿裂纹扩展。对弯管底部腐蚀产物取样进行X射线衍射分析, 主要为FeCO3、Fe3O4和Si O2的混合物，见图5。说明该弯管的腐蚀类型 主要是由CO2腐蚀生成的FeCO3，Fe3O4是FeCO3与空气中的氧反应形成的分 解产物。分析讨论该管线输送介质属油气混输，气体中含有的CO2腐蚀性气体占气体比例为 211 %2148 %，弯管内壁在这种腐蚀性环境中其内壁很容易发生CO2腐蚀，出 现腐蚀点、坑；另外由于所输流体压力较高(711914MPa)，流体中伴有砂砾等 固体颗粒，这种高压气/液体在弯头处形成湍流，对该处形成强烈的冲击，附加