顧寶蘭, 于海洋, 李修能, 徐 彤

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院, 北京 100029)

三通管件作為一種用于管道分支的連接部件是管道系統(tǒng)中重要的結(jié)構(gòu)件, 由于自身結(jié)構(gòu)較為特別, 其本身存在較高的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在服役過(guò)程中,三通管件的受力情況要比直管復(fù)雜得多, 是管道系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)之一, 其質(zhì)量狀況對(duì)管線安全營(yíng)運(yùn)有重要的影響[1-2]。

某石化裝置管道在投產(chǎn)前進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)無(wú)縫異徑三通管件發(fā)生泄漏，泄漏位置如圖1所示。三通管件材料為P11鋼，規(guī)格為DN150×100SCH40，三通管件采用冷擠壓成型，成型后進(jìn)行了正火+回火處理。為查明三通管件失效原因，防止此類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生，筆者對(duì)該三通管件進(jìn)行了檢驗(yàn)及分析，找到了該三通管件發(fā)生泄漏的主要原因，并提出了相應(yīng)的措施和建議。

圖1 泄漏異徑三通管件宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the leaked reducing tee pipe fitting

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)失效三通管件泄漏部位進(jìn)行宏觀觀察，可見(jiàn)在小管過(guò)渡徑處有長(zhǎng)約6.5 cm的一條裂紋，裂紋較平直，裂紋走向與小徑管軸向呈約45°，裂紋周?chē)鷽](méi)有明顯塑性變形，也沒(méi)發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷或其他宏觀缺陷，如圖2所示。將三通管件切割剖開(kāi)后，對(duì)內(nèi)壁裂紋形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁銹蝕較嚴(yán)重，但裂紋處沒(méi)發(fā)現(xiàn)局部腐蝕或其他明顯宏觀缺陷，如圖3所示。

圖2 外壁裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the crack outer wall

圖3 內(nèi)壁裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the crack inter wall

1.2 化學(xué)成分分析

在失效三通管件的直管段上切取試樣，按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用SPECTRO MAXx型直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)失效三通管件材料化學(xué)成分滿足ASME SA335—2010SpecificationforSeamlessFerriticAlloy-SteelPipeforHigh-TemperatureService對(duì) P11鋼的成分要求。

表1 開(kāi)裂異徑三通管件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked reducing tee pipe fitting (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

在失效三通管件的裂紋中部及裂紋端部分別切取截面金相試樣，觀察裂紋走向及擴(kuò)展情況。切取的樣塊經(jīng)過(guò)研磨、拋光和浸蝕后制成金相試樣，可以看到中間部位截取金相試樣的裂紋已經(jīng)貫穿壁厚，如圖4a)所示，靠近裂紋端部截取的金相試樣裂紋未穿透壁厚，由外壁開(kāi)始，向內(nèi)壁延伸，主裂紋周?chē)鷽](méi)有二次裂紋，如圖4b)所示。

圖4 未浸蝕態(tài)金相試樣中的裂紋形貌Fig.4 Crack morphology in non-etched metallographic samples:a) middle of crack; b) tip of crack

在金相顯微鏡下對(duì)金相試樣進(jìn)行觀察，如圖5～圖6所示?？梢?jiàn)裂紋的耦合性較差，除主裂紋外，部分位置存在其他線性缺陷，縫隙內(nèi)有氧化物，如圖5a)所示；且裂紋兩側(cè)的組織存在一定組織偏析，該處組織晶粒細(xì)小，晶粒內(nèi)分布有彌散碳化物，且組織有脫碳現(xiàn)象，如圖5b)所示；遠(yuǎn)離裂紋位置組織為鐵素體+珠光體，球狀碳化物，如圖5c)所示。由裂紋端部位置取截面樣品的顯微組織形貌可以看出，整個(gè)裂紋張口較寬，尖端圓鈍，縫隙內(nèi)存在氧化物，如圖6a)所示；距裂紋尖端約1 mm范圍內(nèi)分布著具有一定寬度的細(xì)小析出物條帶，也就是說(shuō)該處存在組織偏析。失效三通管件的小管段未開(kāi)裂側(cè)過(guò)渡徑位置和直管段位置的顯微組織形貌如圖7所示，小管過(guò)渡徑位置處顯微組織為鐵素體+珠光體，如圖7a)所示；而直管段位置處顯微組織為鐵素體+貝氏體，還有部分奧氏體化后形成的細(xì)晶粒珠光體，如圖7b)中箭頭處所示。該失效三通管件不同位置的顯微組織不同，說(shuō)明三通管件在冷成型后進(jìn)行的正火+回火處理過(guò)程中，正火溫度沒(méi)有達(dá)到規(guī)定要求。

圖5 裂紋中部不同位置的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of different positions in the middle of the crack:a) around the crack; b) segregation on both sides of the crack; c) far away from the crack

圖6 裂紋端部顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the crack tip: a) the crack tip; b) fine precipitation zone

圖7 遠(yuǎn)離裂紋處不同位置顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology at different positions away from the crack:a) transition diameter on the other side；b) straight pipe section

1.4 裂紋斷口及能譜分析

在裂紋另一端部切取試樣，采用機(jī)械方式將裂紋打開(kāi)，觀察裂紋斷口形貌特征，如圖8所示。可以看到試驗(yàn)室打開(kāi)斷口呈亮灰白色的金屬色，原始裂紋打開(kāi)的斷口為褐色，表面嚴(yán)重氧化，斷口邊緣形貌呈圓弧形不規(guī)則形狀，且不規(guī)則的部分連接內(nèi)壁和外壁，貫穿整個(gè)壁厚，但斷口特征并沒(méi)有裂紋擴(kuò)展過(guò)程形成的連續(xù)性，其特征類(lèi)似制管時(shí)產(chǎn)生的折疊缺陷形貌。

圖8 斷口宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of the fracture

將斷口置于掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察，可見(jiàn)斷口表面為完全平整的表面，其形貌特征并沒(méi)有金屬斷裂時(shí)產(chǎn)生的形貌特征，如圖9a)所示?？梢?jiàn)微觀形貌也驗(yàn)證了宏觀觀察的結(jié)果，該裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)榇颂幋嬖谠既毕荨Ｔ紨嗫谂c試驗(yàn)室打開(kāi)斷口分界線如圖9b)中所示，可見(jiàn)試驗(yàn)室打開(kāi)金屬斷口形貌為典型解理形貌。

圖9 不同位置斷口微觀形貌Fig.9 Micro morphology of fracture at different positions: a) at original crack fracture; b) boundary between original fracture and laboratory open fracture

對(duì)斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果顯示斷口表面產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，如圖10所示。對(duì)裂紋縫隙內(nèi)的條狀產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明該產(chǎn)物含有氧、硫、鈣、鐵、鉻等元素，如圖11所示。其中氧元素來(lái)自氧化物，鐵、鉻均為基體元素，硫和鈣元素應(yīng)為在鋼管制造過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)元素，也就是說(shuō)在裂紋內(nèi)部的條形產(chǎn)物為鑄造產(chǎn)生的夾雜(渣)。

圖10 斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置及分析結(jié)果Fig.10 Energy spectrum a) analysis position and b) analysis result of corrosion products on the fracture surface

圖11 裂紋內(nèi)部夾雜物能譜分析位置及分析結(jié)果Fig.11 Energy spectrum analysis positions and results of inclusions in the crack:a) analysis position 1; b) analysis result 1; c) analysis position 2; d) analysis result 2

1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

在失效三通管件的小管段未開(kāi)裂側(cè)過(guò)渡管徑位置和直管段位置分別取拉伸、沖擊及硬度試樣，進(jìn)行常溫拉伸和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？梢?jiàn)不同位置的拉伸和沖擊性能數(shù)據(jù)基本一致，且都滿足ASME SA335—2010對(duì)P11鋼力學(xué)性能的要求。

表2 異徑三通管件不同部位的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of different parts of the reducing tee pipe fitting

在裂紋附近的過(guò)渡管徑處及遠(yuǎn)離裂紋的直管段位置處分別進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，不同位置的硬度不均勻，在三通管件變徑處硬度偏高，接近小管端部的硬度與遠(yuǎn)離裂紋位置的硬度較低。

表3 異徑三通管件不同位置的布氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Brinell hardness test results of the reducing tee pipe fitting at different positions HBW2.5

2 分析與討論

失效三通管件材料化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合ASME SA 335—2010對(duì)P11鋼的技術(shù)要求。從金相檢驗(yàn)和斷口分析結(jié)果來(lái)看，裂紋兩側(cè)及裂紋尖端位置處組織均存在偏析，且裂紋內(nèi)有條狀物，能譜分析結(jié)果顯示該物中除有基體元素鐵和鉻的氧化物外，同時(shí)還有硫、鈣等雜質(zhì)元素，說(shuō)明在裂紋處存在鑄造時(shí)產(chǎn)生的原始夾雜(渣)。從裂紋打開(kāi)后斷口形貌特征來(lái)看，該開(kāi)裂并非金屬基體斷裂產(chǎn)生的形貌，而是類(lèi)似折疊缺陷的形貌特征，且缺陷貫穿了整個(gè)壁厚。折疊缺陷是在金屬變形流動(dòng)過(guò)程中，由已被氧化過(guò)的金屬匯合在一起而形成的，常見(jiàn)形狀是存在于軋件一側(cè)的貫穿材料全長(zhǎng)的折疊、在軋件兩邊相對(duì)稱的側(cè)面上貫穿全長(zhǎng)的折疊或存在于鍛軋件全長(zhǎng)上的(斷續(xù)的、分散的)折疊等。折疊橫截面顯微組織一般具有以下特征：折疊與其周?chē)饘倭骶€方向一致；折疊尾端一般呈小圓角或雞爪形；對(duì)于碳鋼，兩側(cè)則一般有氧化、脫碳現(xiàn)象，隨組織流線擠壓或局部成分偏析[3]。

上述開(kāi)裂部位的斷口形貌特征及金相分析均符合折疊的特點(diǎn)。裂紋的形成主要是源于原管坯上的夾雜(渣)和折疊缺陷，在三通管件冷擠壓過(guò)程中，缺陷也同時(shí)隨金屬擠壓發(fā)生了變形，穿透了整個(gè)壁厚，也就是說(shuō)裂紋在三通管件冷擠壓過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生。

該失效三通管件采用冷擠壓成型工藝，三通管件進(jìn)行冷擠壓成型過(guò)程中，過(guò)渡徑部位是高應(yīng)力區(qū)，也是變形量最大的部位[4-5]，金相檢驗(yàn)及硬度測(cè)量結(jié)果均表明該失效三通管件的組織和硬度均存在不均勻現(xiàn)象，且過(guò)渡徑位置硬度偏高，說(shuō)明三通管件冷擠壓成型后在進(jìn)行最終的正火+回火熱處理時(shí)，沒(méi)有達(dá)到熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，沒(méi)有消除冷擠壓時(shí)形成的材料冷作硬化。冷擠壓三通管件主管與支管過(guò)渡區(qū)域是其結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié), 也是三通管件質(zhì)量控制的重要關(guān)鍵點(diǎn)之一, 采用這種工藝生產(chǎn)的三通管件必須及時(shí)消除應(yīng)力，防止發(fā)生脆性開(kāi)裂[6]。

3 結(jié)論及建議

該失效三通管件本身存在鑄造夾雜(渣)和制管產(chǎn)生的折疊缺陷，在冷擠壓過(guò)程中沿原始缺陷在變形量最大的過(guò)渡徑部位已經(jīng)開(kāi)裂，因而在后續(xù)水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏。

為避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，建議加強(qiáng)對(duì)三通管件原始管坯的出廠檢驗(yàn)，同時(shí)嚴(yán)格控制三通管件的成型工藝。