管线钢失效分析

管线钢的失效分析 目 录 一．管线钢的见解与发展 ..................................................................................................................................................... 1 二．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晶粒，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295～360 MPa（相当于API标准的X42～X52级管线钢）提高到526～703 MPa（相当于X80～X100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。

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晶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，其X80～X100高性能管线钢在－10℃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等对防止裂纹和层状撕裂及提高韧性也有效果。 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/α-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。

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%～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→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般是1.1%~2.0%。 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晶粒长大；另一作用是在轧制时延迟奥氏体的再结晶。钛可以产生中等程度的晶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可有效阻止奥氏体晶粒在加热过程中的长大。钒的溶解度较低，对奥氏体晶粒长大及阻止再结晶的作用较弱，主要是通过铁素体中C、N化合物的析出对强化起作用。钒有较高的沉淀强化和较弱的细化晶粒作用，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晶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。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。