L415M管线钢热煨弯管裂纹分析

来源:西南石油大学材料科学与工程学院作者:王斌

针对L415M管线钢热煨弯管后在焊缝区产生横向裂纹的现象,应用光学金相显微镜、扫描电镜、X射线能谱仪、DR探伤仪及显微硬度计对裂纹产生区域进行分析。结果表明,裂纹产生的主要原因是焊缝区的韧性不足,焊缝第二类回火脆性倾向较高,弯管后回火温度过高及保温时间偏长。

我国油气管道建设正处在快速发展的时期,管道运输石油、天然气是最经济、最方便、最主要的运输方式之一。L415M管线钢由于其不仅具有较高的强度、良好的韧性、抗疲劳性能、抗断裂性和耐腐蚀性能,同时还具有良好的焊接性能和加工性能,成为城市天然气管道建设中管线钢的首选钢级。钢管在热煨弯管过程中,产生皱褶、鼓包、工具压痕、断裂、壁厚不够等缺陷,影响产品外观和使用性能,在其加工过程中产生的裂纹更会造成管道失效。本文针对生产中L415M弯管裂纹进行分析,并提出相应的解决措施。

1、L415M管线钢热煨弯管裂纹分析

根据某油建容器厂提供的材料可知,裂纹出现的位置为L415M管线钢热煨弯管的直缝焊接接头位置(见图1(a))。对裂纹周围进行DR探伤发现,在L415M弯管中,裂纹主要分布在焊缝区域,且存在多条横向裂纹,见图1(b)。

出现裂纹焊口的宏观位置

图1出现裂纹焊口的宏观位置(a)及其裂纹附近的DR探伤图(b)

1.1、L415M管线钢原管成分及力学性能分析

L415M原管为某钢管股份有限公司生产的双面埋弧直缝焊管(SAWL),质量为1.544t,类型为BPE平端黑管),尺寸为660mm×8mm;L415M钢管的成分见表1,其力学性能见表2,无损检测报告结果为合格。由表1可以得出,L415M钢管化学成分符合GB/T9711—2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》石油天然气工业管线输送系统用钢管和APISPEC5L管线钢管规范相关标准要求。但是其化学成分上来看,L415M钢管焊缝中的第二类回火脆性倾向的元素P、Cr、Mn、Ni相较于母材含量偏高,而焊缝中抑制第二类回火脆性的合金元素Mo较母材低,所以焊缝存在第二类回火脆性开裂倾向。

表1L415M钢原管的化学成分(质量分数,%)

L415M钢原管的化学成分

由表2可以得出,L415M钢管的力学性能中除冲击吸收功外,其余指标符合GB/T9711-2011和APISPEC5L标准要求。L415M钢管在-20℃下的冲击功为38、35、35J,相关标准要求为0℃下冲击功≥40J,其冲击值接近于相关标准要求下限,裂纹的产生可能与焊缝金属的韧性储备不足有关。

表2L415M钢管的力学性能

L415M钢管的力学性能

1.2、弯管加工工艺分析

L415M热煨弯管加工的推制工艺和热处理工艺见表3。实际弯管推制过程中,弯管的焊缝区方向朝上,使焊缝区所受的力远小于弯曲内侧和弯曲外侧。在推制过程中的受力不是裂纹产生的主要原因。

表3L415M钢热煨弯管推制工艺

L415M钢热煨弯管推制工艺

根据GB/T9711-2011对L415M的相关规定可知,L415M钢管为热机械成型或热机械轧制,钢管的最终成型在一定的温度范围内完成,使得材料具有使用单独热处理无法获得或重现的某些性能。GB/T9711-2011指出,随后加热温度高于580℃会降低强度值。所以裂纹的产生可能与热处理加热温度偏高有关。

1.3、L415M钢弯管显微组织分析

对L415M钢弯管焊接接头进行SEM分析发现(见图2),纵截面和横截面均发现多条裂纹,在外焊缝和内焊缝同样存在多条裂纹。裂纹主要集中在L415M钢弯管的外焊缝,L415M钢弯管的内焊缝主要为微观裂纹,未出现裂纹贯穿内外焊缝的状况。

L415M钢弯管焊接接头处裂纹走向SEM图

图2L415M钢弯管焊接接头处裂纹走向SEM图

(a)横向焊缝,右侧为外焊缝;(b)纵向外焊缝;(c)纵向内焊缝

为探索L415M钢管弯管产生裂纹的原因,对L415M钢管弯管产生裂纹周围的焊接接头分别进行横向及纵向取样,抛光后用4%的硝酸酒精侵蚀,然后进行金相观察和扫描电镜分析。结果分别为图3和图4。由图中可以看出,L415M钢弯管母材的组织主要为块状铁素体+针状铁素体,组织均匀分布;热影响区组织为块状铁素体+少量针状铁素体,但块状铁素体较为粗大,组织分布较均匀;焊缝区组织为块状铁素体+针状铁素体,焊缝区组织晶粒较细化,但块状铁素体呈长条状和锯齿状,组织分布杂乱。

L415M钢弯管焊接接头各部位的显微组织

图3L415M钢弯管焊接接头各部位的显微组织

(a)母材;(b)热影响区;(c)熔合区;(d~f)焊缝

L415M钢弯管焊接接头各部位的SEM显微组织

图4L415M钢弯管焊接接头各部位的SEM显微组织

(a)母材;(b)热影响区;(c)熔合区;(d~f)焊缝

1.4、L415M钢弯管硬度分析

鉴于硬度对L415M钢弯管性能的影响,分别对发生裂纹和未发现裂纹的焊接接头的横向、纵向进行显微硬度测试。测试结果为:L415M钢弯管的内外焊缝中心纵向上硬度均匀分布;横向上除外焊缝靠近熔合线区域硬度略高于内焊缝靠近熔合线区域,其他区域硬度分布均匀,硬度分布与裂纹无关。综上分析,说明不同区域组织差异较小。裂纹的产生与组织的分布无关。

1.5、能谱分析

为了分析元素的分布对裂纹产生的影响,现使用X射线能谱仪对裂纹及其周围分别进行面扫描和点扫描。由于抛光过程中会在裂纹内堆积抛光液中的Al2O3、金刚石颗粒和在侵蚀过程中的腐蚀产物,所以不对裂纹缝内面扫描结果进行分析。从图5可以得出除裂纹位置,外焊缝、内焊缝、熔合区、热影响区和母材的元素分布无明显变化。从图6可以得出点1为铁的氧化物,可能在腐蚀过程中形成;对点2进行成分分析可以确认为裂纹内的韧窝而非腐蚀产物或其他杂质的堆积。综上所述,弯管成分均匀,未出现成分偏析问题,裂纹的形成应与成分分布无关。

裂纹区面扫描

图5裂纹区面扫描

裂纹内部点扫描

图6裂纹内部点扫描

结论

通过以上分析推断裂纹产生的主要原因:

1)L415M钢管韧性接近于相关标准要求下限,加工过程中可能存在由于韧性不足导致开裂。

2)L415M钢管焊缝中第二类回火脆性倾向的元素P、Cr、Mn、Ni含量相对于母材含量偏高,且抑制第二类回火脆性的合金元素Mo的含量较母材降低,焊缝存在第二类回火脆性开裂倾向。

3)弯管推制后,回火温度偏高,保温时间过长,L415M钢管焊缝强度韧性降低,可能是焊缝出现裂纹的又一因素。

3改进措施及效果

初步分析可以说明,管材焊缝的韧性不足、焊缝P、Cr、Mn、Ni元素含量偏高,Mo元素含量偏低、回火温度偏高和保温时间偏长是焊缝开裂的主要因素。建议对L415M的采购中提高对焊缝韧性的要求,回火温度选择在570℃左右,并适当减少回火保温

时间。承担该批弯管生产任务的某油建容器厂根据本文所提出的建议进行改进后,未发生过此类弯管开裂现象,性能满足使用要求。