孫晉美, 崔曉玉

(青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院 機(jī)電系, 青島 266106)

φ219 mm×10.5 mm彎管環(huán)焊縫穿孔失效分析

孫晉美, 崔曉玉

(青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院 機(jī)電系, 青島 266106)

某原油輸送管道在停用充汽油期間于彎管環(huán)焊縫處發(fā)生穿孔泄漏失效，通過對(duì)管道環(huán)焊縫宏、微觀形貌以及彎管運(yùn)行工況進(jìn)行分析，查明了其穿孔泄漏原因。結(jié)果表明：環(huán)焊縫發(fā)生穿孔的主要原因是環(huán)焊縫焊接時(shí)形成的未焊透缺陷，次要原因是管壁表面發(fā)生了腐蝕，穿孔后最終導(dǎo)致管道內(nèi)的汽油發(fā)生泄漏。因此建議改進(jìn)輸油管道的焊接工藝，并加強(qiáng)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)。

彎管；環(huán)焊縫；穿孔；未焊透；腐蝕

目前石油主要輸送工具為管道，其具有高效、安全、輸送成本低的特點(diǎn)。過去十幾年，我國(guó)管道建設(shè)得到迅速發(fā)展，因此對(duì)管道設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的研究，就顯得尤為迫切，尤其是對(duì)彎管技術(shù)的研究[1-4]。某油田一件彎管的環(huán)焊縫發(fā)生穿孔失效后進(jìn)行了堵漏。該彎管為L(zhǎng)360無縫鋼彎管，投用時(shí)間為2008年，運(yùn)行壓力為0.3～0.5 MPa，用于傳輸原油。從2011年起，該彎管未再使用，只是在里面充滿了93號(hào)汽油，2013年6月29日彎管發(fā)生泄漏。為查明該彎管環(huán)焊縫穿孔泄漏原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

經(jīng)測(cè)量，失效彎管的彎曲角度為90°，彎管和干線管均為無縫鋼管。去除防腐層后的彎管試樣宏觀形貌如圖1所示。經(jīng)測(cè)量，彎管直管段的壁厚為10.5 mm，與彎管焊接的干線管的壁厚為8.5 mm。

圖1 失效彎管試樣宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure elbow pipe sample

環(huán)焊縫穿孔泄漏處的內(nèi)表面宏觀形貌如圖2所示，外表面宏觀形貌如圖3所示。經(jīng)觀察，管體內(nèi)表面存在多處均勻腐蝕。

圖2 環(huán)焊縫穿孔處的內(nèi)表面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of inner surface of the girth weld perforation position

圖3 環(huán)焊縫穿孔處的外表面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of outer surface of the girth weld perforation position

圖4 環(huán)焊縫穿孔處內(nèi)表面坡口形貌Fig.4 Groove morphology of inner surface of the girth weld perforation position

1.2 管道環(huán)焊縫分析

進(jìn)一步取樣并用有機(jī)溶劑清洗后，環(huán)焊縫穿孔處的內(nèi)表面形貌如圖4所示，外表面形貌如圖5所示。

通過分析環(huán)焊縫穿孔處附近的內(nèi)表面特征可知，環(huán)焊縫內(nèi)表面坡口面的機(jī)加工痕跡清晰可見，如圖4中的箭頭所指，此為比較典型的未焊透缺陷。對(duì)于環(huán)焊縫兩端管道壁厚不等的情況，焊接坡口的形式一般如圖6(a)所示，發(fā)生穿孔泄漏環(huán)焊縫的坡口形式如圖6(b)所示。

圖5 環(huán)焊縫穿孔處外表面腐蝕形貌Fig.5 Corrosion morphology of outer surface of the girth weld perforation position

1.3 掃描電鏡分析

圖7為管道環(huán)焊縫穿孔處內(nèi)表面的掃描電鏡形貌。圖8～9為穿孔處內(nèi)表面焊縫坡口及機(jī)加工刀痕掃描電鏡形貌。圖10為穿孔處外表面掃描電鏡形貌。綜合分析圖7～10可見，環(huán)焊縫穿孔泄漏主要是由環(huán)焊縫焊接時(shí)的未焊透缺陷以及管道表面的均勻腐蝕所致。

圖7 穿孔處內(nèi)表面SEM形貌Fig.7 SEM morphology of inner surface of the perforation position

圖8 內(nèi)表面環(huán)焊縫坡口處刀痕形貌Fig.8 Machining marks morphology of inner surface of the girth weld groove position

2 分析與討論

2011年5月該油田曾經(jīng)用93號(hào)汽油對(duì)該條管線進(jìn)行置換，置換時(shí)分輸壓力pstatic=0.2 MPa，置換后該條管線充滿93號(hào)汽油。該管線外徑為219.1 mm，壁厚為8.5 mm，長(zhǎng)度為1.8 km，輸油站高程為1 456 m，計(jì)量站高程為1 470 m。管道高度h=12.722 4 m，換算為對(duì)管道產(chǎn)生的壓力p為：

式中：ρ為密度；g為重力加速度。

經(jīng)計(jì)算得到，對(duì)管道產(chǎn)生的壓力為0.09 MPa。則總壓力ptotal即為:

計(jì)算得到總壓力為0.29 MPa。

如前所述，彎管直管段壁厚測(cè)量值為10.5 mm，和彎管焊接的干線管的壁厚測(cè)量值為8.5 mm。因干線管的壁厚較薄，所以較之彎管，干線管最容易發(fā)生穿孔失效。管道外徑為219 mm，干線管管體壁厚為8.5 mm，依據(jù)GB/T 9711-2011，管體材料L360鋼的屈服強(qiáng)度為360 MPa，抗拉強(qiáng)度為460 MPa。假設(shè)管道設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72(一類地區(qū))，則干線管管體發(fā)生屈服的管道內(nèi)壓為20.1 MPa，干線管管體發(fā)生破裂的管道內(nèi)壓為25.7 MPa。假設(shè)管道設(shè)計(jì)系數(shù)為0.4(四類地區(qū))，則干線管管體發(fā)生屈服的管道內(nèi)壓為11.2 MPa，發(fā)生破裂的管道內(nèi)壓為14.3 MPa。

前述計(jì)算表明穿孔失效管道中的最高內(nèi)壓只有0.29 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到管體發(fā)生屈服或破裂的壓力，據(jù)此可以判斷管道環(huán)焊縫發(fā)生穿孔泄漏不是管道中的內(nèi)壓引起的。管道環(huán)焊縫發(fā)生穿孔泄漏應(yīng)主要是由環(huán)焊縫未焊透缺陷所致[5-7]。

3 結(jié)論及建議

該φ219 mm×10.5 mm彎管環(huán)焊縫發(fā)生穿孔失效的主要原因是環(huán)焊縫焊接時(shí)形成的未焊透缺陷，管壁表面發(fā)生腐蝕為次要原因，穿孔后最終導(dǎo)致管道內(nèi)的汽油發(fā)生泄漏。因此焊接工藝的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)必須成為石油管道建設(shè)工程的重中之重。

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Failure Analysis on Perforation of Girth Weld of aφ219 mm×10.5 mm Elbow Pipe

SUN Jin-mei, CUI Xiao-yu

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Qindao College, Qingdao Technological University, Qingdao 266106, China)

Perforation and leakage failure occurred to a crude oil delivery pipeline full of gasoline at the elbow pipe girth weld position during outage. The macro and micro morphology of the elbow pipe girth weld and working conditions of the elbow pipe were analyzed to find out the reasons of the perforation leakage. The results show that the main reason was the incomplete penetration welding flaw and the minor reason was the corrosion occurring on the surface at the girth weld of the elbow pipe. Therefore, it was suggested that the pipeline welding technology should be improved and the weld quality inspection should be strengthened.

elbow pipe; grith weld; perforation; incomplete penetration; corrosion

10.11973/lhjy-wl201704017

2016-01-14

2015年山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃資助項(xiàng)目(J15LB68)

孫晉美(1979-)，女，副教授，博士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)研究，ssjjmm0715@163.com。

TH140.7

B

1001-4012(2017)04-0299-03

質(zhì)量控制與失敗分析