某高频直缝电阻焊管的泄漏原因

某高频直缝电阻焊管发生天然气泄漏事故。通过宏观检验、无损检测、化学成分分析、力学性能测试、金相分析、扫描电镜及能谱分析等方法，研究了该焊管的泄漏原因。结果表明：焊接工艺不当导致此焊管焊缝中存在未熔合缺陷，且在焊管制造过程中因存在漏检问题而未被发现；未熔合缺陷在服役过程中发展形成泄漏孔，最终导致泄漏。

高频直缝电阻焊管（ＥＲＷ管）是油气输送的主要钢管类型之一，已广泛应用于油气长输管道和站场管道输送中。ＥＲＷ管是指采用高频电流加热带钢边缘，待带钢边缘熔融后通过挤压使带钢边缘互相铰接而成的一种高效益管道，其常见的缺陷包括非金属夹杂物、灰斑、未焊透、未熔合等；这些缺陷可能会导致管道发生泄漏事故［３－４］。２０１６年６月，某管道发生天然气泄漏事故。泄漏管道运行压力在５．２～５．５ＭＰａ，运行时间为２ａ；其钢管类型为高频直缝电阻焊管，钢级为Ｌ４１５Ｍ，管径为３５５．６ｍｍ，壁厚为８．０ｍｍ，钢管外部涂覆３层聚乙烯（ＰＥ）防腐，钢管执行标准为ＧＢ／Ｔ９７１１－２０１１。为了找出该管道的泄漏原因，作者对其进行了失效分析。

１理化检验及结果

１．１宏观形貌与无损检测结果

现场切取的泄漏管段长约８０７ｍｍ，存在１处泄漏孔。由图１可知，泄漏孔长约３ｍｍ，宽约０．８ｍｍ，长度方向沿钢管纵向。在泄漏管段上切取管环，对切面抛铣，用体积分数４％的硝酸酒精溶液腐蚀后，观察可知泄漏孔位于ＥＲＷ管焊缝上；泄漏处防腐层存在半径约为２６ｍｍ的剥离区域，其余防腐层未见明显的剥离或鼓泡特征；泄漏处焊管的内、外表面未见腐蚀特征。

使用ＸＸＱ－２５０５型射线探伤仪，在１５０ｋＶ的管电压下曝光３ｍｉｎ，以单壁单影的透照方式在泄漏位置附近沿管段纵向进行射线探伤检测。由图２可知，在距泄漏孔４５ｍｍ处存在１处椭圆形缺陷，长轴约３．０ｍｍ，短轴约１．５ｍｍ，长轴方向沿钢管纵向。ＳＹ／Ｔ６４２３．１－２０１３中第１０．３条规定，单个直径不超过３．０ｍｍ或Ｔ／３（Ｔ为钢管公称壁厚，取数值较小者）的圆形夹杂物和气孔为合格缺陷。由此可见，泄漏焊管上的椭圆形缺陷为超标缺陷。

１．２化学成分

在泄漏焊管管体上取样，根据ＧＢ／Ｔ４３３６－２００２，采用ＡＲＬ４４６０型直读光谱仪进行化学成分分析。由表１可见，泄漏焊管的化学成分符合ＧＢ／Ｔ９７１１－２０１１中Ｌ４１５Ｍ钢的指标要求。

１．３拉伸性能

在泄漏焊管管体和焊缝（以焊缝为中心，垂直于焊缝）上截取全壁厚板状横向试样，长３００ｍｍ，宽３８ｍｍ，标距５０ｍｍ，使用ＵＨ－Ｆ５３０５型拉伸试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为１０ｍｍ·ｍｉｎ－１。测得管体的抗拉强度为５９１ＭＰａ，屈服强度为４７９ＭＰａ，断面收缩率为３２％，焊缝的抗拉强度为５６２ＭＰａ，均满足ＧＢ／Ｔ９７１１－２０１１中Ｌ４１５Ｍ钢的指标要求（抗拉强度不低于５２０ＭＰａ，屈服强度不低于４１５ＭＰａ，断面收缩率不低于２２％）。

１．４冲击性能

在泄漏焊管管体和焊缝（以焊缝为中心，垂直于焊缝）上截取横向冲击小尺寸试样：管体冲击试样的尺寸为５ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ，其Ｖ型缺口垂直于钢管表面；焊缝冲击试样的尺寸为３．３ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ，缺口位于焊缝处。在ＰＩＴ７５２Ｄ－２型冲击试验机上进行夏比冲击试验，试验温度为０℃。将小尺寸试样的最小平均（３个试样为１组）吸收功除以其厚度与全尺寸试样厚度（８ｍｍ）的比值，并修约成整数，即得到全尺寸试样的吸收功。由表２可知，泄漏焊管管体和焊缝的冲击功和剪切断面率均满足ＧＢ／Ｔ９７１１－２０１１中Ｌ４１５Ｍ钢的冲击性能要求（冲击功不低于２７Ｊ，剪切断面率不低于８５％）。

１．５压扁试验结果

在泄漏焊管上截取长１００ｍｍ的管状试样（不含缺陷和泄漏孔），采用ＵＨ－Ｆ５００ＫＮＩ型拉伸试验机进行压扁试验。分别在偏离焊缝０°，９０°位置将试样压至１／３Ｄ（Ｄ为管径）、１／２Ｄ以及相对两壁贴合，发现焊缝及焊缝附近的部位均未出现裂纹，在整个试验过程中焊管未出现分层或过烧金属迹象，满足ＧＢ／Ｔ９７１１－２０１１中Ｌ４１５Ｍ钢的压扁试验验收要求。

１．６显微组织及化学成分

如图３所示，采用线切割法沿横向切割管体，得到含泄漏孔的Ⅰ号、Ⅱ号试样以及含缺陷的Ⅲ号试样。将Ⅱ号试样线切割成平面尺寸为１０ｍｍ×１０ｍｍ的金相试样（含泄露孔），对泄漏孔处的横剖面进行抛光，用体积分数１０％的硝酸酒精溶液腐蚀后，在ＢＸ４１－１２Ｐ０２型光学显微镜下观察显微组织。

由图４可知：泄漏孔位于高频电阻焊管的焊缝上，泄漏孔处焊管的内表面相对平整，未见明显腐蚀痕迹；在泄漏孔附近，焊管内表面管体和焊缝的显微组织为针状铁素体和珠光体，未见组织异常，但内表面焊缝呈亮白色。采用ＴＥＳＣＡＮＶＥＧＡⅡ型扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对泄漏孔附近的亮白色焊缝进行微观形貌观察，用附带的ＸＦＯＲＤＩＮＣＡ３５０型能谱分析仪（ＥＤＳ）分析其微区成分。由图５可知，焊管内表面焊缝处存在２条狭长的沿焊缝方向的灰斑缺陷，灰斑主要由氧、铁、锰、铝和硅等元素组成。

采用线切割法将Ⅰ号和Ⅲ号试样纵向剖开，用丙酮和酒精清洗后，采用ＴＥＳＣＡＮＶＥＧＡⅡ型扫描电子显微镜观察纵剖面微观形貌，用附带的ＸＦＯＲＤＩＮＣＡ３５０型能谱分析仪进行微区成分分析。由图６可知，泄露孔内表面被灰黑色物质覆盖，该灰黑色物质主要由氧和铁元素组成，同时还存在少量铝、硅、锰等元素。

由图７可知，椭圆形缺陷基本贯穿壁厚，缺陷在焊管外表面上的宽度比在内表面上的宽，缺陷原始表面平齐。外表面缺陷处存在较薄的金属连接，但在线切割时发生脱落。

由图８可知：Ⅲ号试样内表面附着有灰黑色物质，主要由氧和铁元素组成，同时存在少量铝、硅、锰等元素，与纵向截取的泄漏孔内表面的成分相同。

２失效原因分析

该泄漏管道输送的介质为经集气站生产并经分离器分离水后的天然气，属于干气，不会对管壁产生腐蚀；泄漏孔附近内、外表面平整，未见明显的点蚀或腐蚀减薄现象。可见，泄漏与腐蚀无关。

焊管内表面管体、焊缝区组织均为针状铁素体和珠光体，焊缝中存在灰斑缺陷，该缺陷主要为由氧、铁、锰、铝、硅等元素组成的氧化物，这主要是由于焊接工艺中温度或压力不够引起的。泄漏孔位于焊缝上，其附近管体组织未见异常，证明泄漏与管体组织无关。泄漏孔附近内表面附着的灰黑色物质主要由氧和铁元素组成，同时存在少量铝、硅和锰等元素。椭圆形缺陷基本贯穿管壁，泄漏孔和椭圆型缺陷纵向截面平齐，表面附着的灰黑色物质成分相同。泄漏管段管体中含有硅、锰和铝元素，是缺陷表面灰黑色物质中的硅、锰和铝元素的主要来源。

该泄漏焊管采用高频电流加热带钢边缘而实现连接，较高的加热温度是两侧金属形成良好结合的先决条件。当热输入充足时，带钢边缘被加热到足够高的温度，使其易于塑性变形，在挤压力作用下两侧金属很容易结合在一起；同时在高温下熔合区内部的杂质有良好的流动性，易于清除。当热输入不足时，金属氧化物可能残留在焊缝中，形成部分未熔合或完全未熔合缺陷。残留在焊缝中的金属氧化物以ＦｅＯ为主，同时含有ＳｉＯ２、ＭｎＯ、Ａｌ２Ｏ３等。由此可判断，焊缝中存在因热输入不足而产生的未熔合缺陷。在ＥＲＷ管生产中会进行在线超声波探伤，可检出的最小缺陷长度为１．５ｍｍ。泄漏焊管的泄漏孔及椭圆形缺陷的长度均约３．０ｍｍ，说明该焊管存在漏检情况。

综上可知，该焊管的泄漏是由未熔合焊缝缺陷造成的，焊缝缺陷是由于焊接工艺不当导致的。

３结论及建议

（１）焊管泄漏的根本原因是由于焊接工艺不当，导致焊缝出现未熔合缺陷，该缺陷在管道服役过程中因尖端应力集中等因素而发展形成泄漏孔；同时，在焊管制造过程中存在漏检问题，使得焊缝中存在超标未熔合缺陷的焊管投入使用，导致泄漏事故发生。

（２）建议在制管过程中加强焊接工艺评定和在线探伤，多工序多层次保证焊管质量，并对同批次钢管的焊缝质量进行检测排查。