油庫油品泄漏原因分析及啟示

毛靜麗1，王虎1，滕照峰2，董寶勝3，劉智1

1.中國石油天然氣管道局第六工程公司（天津300272）

2.中國石油渤海石油裝備制造有限公司（天津300280）

3.中國石油集團石油管工程技術研究院（陜西西安710065）

在油氣管道、站場工藝工程施工建設中，由于存在的客觀因素或各種主觀因素，導致施工的產(chǎn)品出現(xiàn)失效事件，造成巨大經(jīng)濟損失。失效分析可以有效杜絕同類事故的再次發(fā)生，對于保證工程結(jié)構(gòu)安全可靠運行具有一定的現(xiàn)實指導意義。針對某油庫油品泄漏，從宏觀到微觀、從力學到組織、從材料到施工對三通開裂失效原因進行全面分析總結(jié)。結(jié)果表明，嚴控每個影響質(zhì)量的環(huán)節(jié)，加強焊接質(zhì)量過程控制，保證焊接接頭的力學性能和微觀組織滿足標準規(guī)范要求，可以確保工程焊接施工質(zhì)量，提升工程建設質(zhì)量。

油品泄漏；開裂失效；焊接質(zhì)量；失效分析

1 事例簡述

某油庫接卸京標0#柴油時，工作人員發(fā)現(xiàn)柴油泄漏。經(jīng)勘察，泄漏處為北庫區(qū)2#倒罐泵出口附近，開挖相應地段埋地管道（管道距離地面1.3m）后發(fā)現(xiàn)，泄漏原因是位于倒罐泵立管相連的埋地三通本體開裂所致。三通呈爆裂狀，上面左右三側(cè)連接焊口均完好。爆裂位置為三通管件上焊口底部左側(cè)撕開焊口及母材100mm左右?，F(xiàn)場地面部40mm處橫向裂口，橫向裂口大約450mm，現(xiàn)場地面為碎石鋪設，大概有600m2碎石沾有柴油，其中漏點東側(cè)20m處一萬罐區(qū)東防火墻及東南側(cè)15m處進一萬罐區(qū)管排上均有油點。三通管件材質(zhì)為20鋼，規(guī)格尺寸為Φ273mm×8mm。某專業(yè)機構(gòu)針對現(xiàn)場情況進行了失效分析實驗研究。

2 失效分析

2.1 宏觀分析

三通開裂宏觀形貌如圖1所示。確定三通開裂原點，對開裂處進行宏觀分析，制定下一步失效分析計劃和失效分析試驗試件取樣。根據(jù)三通管件的受力特點以及三通管件的結(jié)構(gòu)特點，進行試驗試樣的取樣制備。

圖1 三通開裂宏觀形貌

2.2 理化試驗

2.2.1 化學成分

化學成分分析設備為ARL 4460直讀光譜儀，結(jié)果見表1。

表1中三通管管件、連接管材的化學成分分析結(jié)果符合相關標準對20鋼的要求。

2.2.2 拉伸試驗

取樣位置位于三通管件支管正對面，試樣分別為LS01、LS02、LS03，依據(jù)標準GB/T 228.1-2010使用UH-F500KN1材料試驗機進行拉伸試驗，結(jié)果見表2。拉伸試件的試驗結(jié)果均符合標準的要求。

表1 化學成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）/%

表2 拉伸試驗結(jié)果

2.2.3 夏比沖擊試驗

取樣位置位于三通管件支管正對面，試樣分別為CJ01、CJ02、CJ03，依據(jù)標準GB/T 229-2007規(guī)定，使用JBN-300B夏比沖擊試驗機，進行夏比沖擊試驗，結(jié)果見表3。夏比沖擊試驗結(jié)果均符合標準的要求。

表3 夏比沖擊試驗結(jié)果

2.2.4 硬度試驗

分別從三通管件支管正對面，三通管件肩部、三通管件頂支管和與主管相連接的管材上取硬度試件，編號為YD01、YD02、YD03、YD04，依據(jù)標準GB/T 231.1-2009規(guī)定，使用HB-3000布氏硬度試驗機進行硬度試驗[1]，結(jié)果見表4。

硬度試驗結(jié)果顯示，三通管件支管正對面YD01試件和主管相連接的管材YD04試件符合標準的要求，但是三通管件肩部YD02試件和三通管件支管YD04試件硬度值偏高。

表4 硬度試驗結(jié)果

2.3 金相分析

從三通管件平齊斷口處和與之相連的裂紋處取試驗試樣，裂紋尖端處試件編號為1#，與平齊斷口裂紋相連處編號為2#，平齊斷口處編號為3#，依據(jù)GB/T 13298-1991進行金相分析試驗和GB/T 4340.1-2009進行顯微硬度試驗，分析設備為MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)和Tukon2100B顯微硬度計，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 1#試件金相組織

圖3 2#試件金相組織

圖4 3#試件金相組織

圖2 為垂直于內(nèi)壁裂紋擴展方向、并采用硝酸酒精腐蝕后的1#試樣的橫截面低倍形貌圖，其為典型的焊接接頭斷面形貌特征，接頭內(nèi)、外焊道內(nèi)粗大的樹枝晶和母材熱影響區(qū)輪廓形貌清晰可見，接頭內(nèi)呈黑色梯形孔洞區(qū)域為未焊透缺陷，靠近三通內(nèi)壁焊道內(nèi)有開口型裂紋與內(nèi)表面連通，缺陷上方位于焊縫內(nèi)，組織為“針狀鐵素體+塊狀鐵素體+珠光體”；缺陷中部兩側(cè)為母材熱影響區(qū)，組織為“塊狀鐵素體+珠光體”，缺陷下部位于焊縫內(nèi)，附近組織為“塊狀鐵素體+珠光體”，管體母材組織為“塊狀鐵素體+珠光體”。經(jīng)檢測管體母材顯微硬度為：147HV0.5，149HV0.5，152 HV0.5[2-3，5]。

圖3為2#試樣垂直于斷口擴展方向的橫截面低倍形貌圖，該斷口屬于典型的焊接接頭斷口；斷口上方附近組織為焊縫組織“針狀鐵素體+塊狀鐵素體+珠光體”，斷口附近區(qū)域內(nèi)有灰色“非金屬夾雜物”；斷口中間及下部焊區(qū)為熱影響區(qū)，組織為“塊狀鐵素體十珠光體”、“網(wǎng)狀鐵素體+魏氏組織+珠光體”，管體母材組織與l#試樣相同，為“鐵素體+珠光體”。

圖4為3#試樣，低倍形貌特征，局部斷口附近有一層“基體為非金屬的物質(zhì)”；斷口附近組織為“塊狀鐵素體十珠光體”、“網(wǎng)狀鐵素體+魏氏組織+珠光體”，該斷口附近組織呈典型的焊接接頭熱影響區(qū)組織形貌特征，遠離斷口處管體母材組織與1#和2#試樣相同，為“鐵素體十珠光體”。

2.4 掃描電鏡分析

三通開裂平齊斷口3#試件進行掃描電鏡分析[2,4-5]。分析設備為VEGA TESCAN掃描電鏡。3#試件的掃描電鏡低倍形貌如圖5所示。

由圖5可以看出，斷裂面由內(nèi)至外分為明顯的三個區(qū)域，內(nèi)側(cè)Ⅰ號區(qū)的厚度約1mm。由圖6可以看出，中間Ⅱ號區(qū)存在明顯的氧化物，與Ⅰ號區(qū)、Ⅲ號區(qū)存在顯著差別，可以斷定為焊接過程中的焊接缺陷[2,6]。

圖5 3#試件掃描電鏡低倍形貌10×

圖6 3#試件斷裂面掃描電鏡局部放大形貌

2.5 結(jié)果分析

據(jù)三通有限元文獻資料可知，等徑三通的肩部和主、支管相貫線部位是三通應力集中較大的兩個部位，三通肩部的應力最大點位于其內(nèi)表面上，主、支管相貫線部位的應力最大點位于其外表面上，在超負荷應力狀況下三通的開裂點往往發(fā)生在這兩個應力較大的位置[6]。

由該三通斷口低倍和微觀分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主、支管相貫線附近存在一近似平行于三通主管軸線的焊接接頭，且接頭內(nèi)、外焊縫之間含有一大尺寸未焊透原始缺陷，且內(nèi)焊道中原始裂紋已穿透內(nèi)壁層，局部未焊透缺陷處剩余壁厚不足1mm。焊接接頭中未焊透缺陷處通常存在較大的應力集中，此類缺陷的存在會使接頭有效承載面積減小，大大降低接頭的強度，是引起三通開裂的主要原因。同時，根據(jù)硬度試驗結(jié)果可以看出，三通管件肩部和三通管件支管件硬度值偏高，說明該三通管件加工過程存在一定的技術問題，是三通開裂的次要原因。

三通未焊透缺陷，且缺陷位于三通結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)處，在服役過程中，三通結(jié)構(gòu)應力集中、接頭中未焊透應力集中相互疊加，未焊透缺陷處萌生裂紋，使三通在較小的內(nèi)壓載荷下發(fā)生失穩(wěn)開裂。

三通主支管相貫線處未焊透缺陷是導致三通開裂的主要原因。

3 焊接質(zhì)量過程啟示

三通失效分析從材料的化學成分、力學性能、微觀組織進行系統(tǒng)的分析研究，最終找出導致三通開裂的主要因素。工程施工焊接質(zhì)量涉及管材、焊材、焊接工藝、焊接操作、無損檢測以及土建、防腐、環(huán)境等因素，貫穿整個過程的行為就是質(zhì)量過程管理。

1）材料關，焊接質(zhì)量過程管理第一關。焊接施工所涉及的管材（管件）、焊材、氣體是焊接施工的主要因素，從選擇、采購、驗證、抽檢都必須嚴格把控，保證材料的可靠性、可行性。

2）過程關，焊接質(zhì)量過程管理第二關。焊接施工過程的質(zhì)量控制，是關系到焊接施工質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)。其包括焊接工藝制定、焊接作業(yè)指導書、焊接技術交底、焊接過程控制、焊接外觀質(zhì)量檢測以及無損檢測和焊口返修。

3）后續(xù)關，焊接質(zhì)量過程管理第三關。要嚴格把控焊口防腐補口、防腐層檢測和補傷、管線下溝與回填等工程施工質(zhì)量，它是一個貫穿人、機、材以及管理、技術和操作于一體的綜合結(jié)果。

4 結(jié)束語

對質(zhì)量事件的原因從宏觀到微觀、從力學到組織、從材料到施工進行全面分析總結(jié)，因此不能僅根據(jù)外觀成型和無損檢測來評判一個工程的焊接施工質(zhì)量，必須從焊接的本質(zhì)出發(fā)，加強焊接質(zhì)量過程控制，保證焊接接頭的力學性能和微觀組織滿足標準規(guī)范要求，從而確保工程焊接施工質(zhì)量。從油庫泄漏原因分析中得到的啟示：工程施工質(zhì)量是一個貫穿人、機、材以及管理、技術和操作于一體的綜合結(jié)果，必須嚴控每個影響質(zhì)量的環(huán)節(jié)，提升內(nèi)在質(zhì)量管理水平。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.金屬材料布氏硬度試驗第1部分:試驗方法:GB/T 231.1-2009[S].北京:中國標準出版社,2009.

[2]崔忠.金屬學與熱處理(鑄造、焊接專業(yè)用)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.

[3]張棟,鐘培道,陶春虎.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[4]鄧增杰,周敬恩.工程材料的斷裂與疲勞[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.

[5]高慶.工程斷裂力學[M].重慶:重慶大學出版社,1986.

[6]黃克智,肖繼美.材料的損傷斷裂機理和宏觀微觀力學理論[M].北京:清華大學出版社,1999.

In the construction process of oil and gas pipeline and stations,various objective factors or subjective factors will result in the construction failure events,which will result in huge economic losses.Failure analysis can effectively prevent the recurrence of similar accidents,which is of practical significance to ensuring the safe and reliable operation of the engineering structure.For the oil leakage of an oil depot,the cracking failure causes of triple valve are comprehensively analyzed from the macro to the micro,from the mechanics to the microstructure,from the material to the construction.It is shown that,strictly controlling the quality of each link,strengthening the quality control of welding process to ensure the mechanical properties and microstructure of welded joints to meet the standards can improve the construction quality of the projects.

oil leakage;crack failure;welding quality;failure analysis

王梅

2016-12-01

毛靜麗（1969-），女，高級工程師，現(xiàn)主要從事焊接技術研究、管理和培訓等工作。