20鋼具有韌性好、塑性高、焊接性能好等特點,廣泛應用于各類壓力管道中[1]。某合成氨企業大量使用20鋼無縫承壓管道,其管路中一段彎頭在停車檢修過程中因碰撞發生瞬時環向斷裂現象,斷裂位置如圖1所示。 

圖  1  管道彎頭斷裂位置

該管路露天架空使用,設計壽命為20 a,于2014年3月投入使用,在線運行近9 a,執行標準為GB 6479—2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》。斷裂彎頭為90°圓弧彎頭,規格為219 mm×24 mm（外徑×壁厚）,壁厚為24 mm,彎曲半徑為438 mm,彎管與直管焊接連接。管道設計壓力為16 MPa,實際管內壓力一般穩定在13.5 MPa,介質溫度為23~27 ℃,介質為醇后氣,其中N2的體積分數為24.05%,H2的體積分數為74.21%,CO的體積分數為0.5%,CO2的體積分數為0.2%,CH4的體積分數為1%,還含有微量甲醇。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡（SEM）和能譜分析、力學性能測試、低倍檢驗、金相檢驗等方法對彎頭斷裂原因進行分析,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂彎頭宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：彎頭內、外表面氧化均較明顯,存在大量肉眼可見的氧化腐蝕坑；斷裂截面壁厚不均,外弧側減薄明顯,厚度最小處為19.6 mm,減薄原因主要為彎制過程中的拉伸變形及使用過程中的沖刷、腐蝕減薄,內弧側最厚為29.6 mm,主要由彎制過程中的擠壓變形造成；斷裂位于彎頭45°處,斷裂位置無明顯宏觀變形,斷裂的兩段可拼合復原；斷口較為平齊,呈放射狀花樣,斷口處未見其他肉眼可見缺陷,斷口呈脆性斷裂特征；圖2b）中右側橢圓區域為主裂紋源區,位于彎頭內弧側的外表面,斷口上、下方的箭頭指示區域為次裂紋源區,箭頭方向指示裂紋的擴展方向。 

圖  2  斷裂彎頭宏觀形貌

1.2   化學成分分析

從彎頭斷口附近截取試樣,用火花原子發射光譜儀和氧氮氫分析儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu、V等元素成分均符合GB 6479—2013的要求,N元素含量高于GB 6479—2013的要求。 

1.3   掃描電鏡（SEM）和能譜分析

在彎頭斷口裂紋源與裂紋擴展區分別取樣,使用掃描電子顯微鏡對試樣進行觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：斷口的開裂方式主要為穿晶解理斷裂,各部位均未發現異常缺陷及原始裂紋區域。 

圖  3  斷口不同區域的SEM形貌

利用附帶的能譜儀對斷口裂紋源處進行微區成分分析,結果如圖4所示。由圖4可知：斷口裂紋源處主要含有Fe、O元素,還有少量的Al、Si、K、Cr和Mo元素,未發現S、Cl等腐蝕性元素。 

圖  4  斷口裂紋源處的SEM形貌及EDS分析結果

1.4   力學性能測試

在彎頭斷口附近及與彎頭相連接的直管段分別截取橫向拉伸、橫向沖擊（V型缺口）及截面試樣,對這些試樣進行力學性能測試,結果如表2所示。由表2可知：直管段力學性能均符合GB 6479—2013的要求；彎頭段的拉伸曲線欠規則[2],抗拉強度、塑性延伸強度明顯升高,斷后伸長率遠低于標準要求；彎頭的沖擊吸收能量明顯低于GB 6479—2013的要求。沖擊斷口平齊,無明顯塑性變形區,呈現閃亮的金屬小刻面脆斷特征,未發現裂紋、白點、分層、夾渣等缺陷。 

1.5   低倍檢驗

在斷口附近截取試樣,將試樣置于鹽酸水溶液中,加熱至70 ℃,腐蝕20 min,快速刷洗、吹干試樣后觀察其低倍組織,結果如圖5所示：彎頭外弧側1號區域組織較均勻,為等軸細晶區；2號區域組織粗大,存在枝晶偏析,為樹枝狀晶體組成的柱狀晶區；靠近內壁3號區域存在大量環形疏松,越靠近內表面組織越差；未發現白點、鼓包、微裂紋等氫損傷痕跡。 

圖  5  熱酸浸試驗后的低倍組織

1.6   金相檢驗

在彎頭斷口內表面處、裂紋源處、沖擊試樣斷口處分別截取試樣,將試樣研磨并拋光,再用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：內表面處顯微組織為鐵素體+片狀珠光體+少量魏氏組織,魏氏組織評級為A系列1級,存在帶狀組織；裂紋源處顯微組織為鐵素體+片狀珠光體,有極少量碳化物沿鐵素體晶界分布,組織基本正常；沖擊斷口處顯微組織為鐵素體+珠光體+少量魏氏組織,魏氏組織評級為A系列2級。說明彎頭組織的均勻性較差,其顯微組織與熱酸浸試驗后的低倍組織相吻合。 

圖  6  彎頭不同部位的顯微組織形貌

在彎頭裂紋源處、沖擊試樣上截取縱向試樣,將試樣磨制、拋光,并置于光學顯微鏡下觀察,微觀貌如圖7所示。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行評級,裂紋源處為C類（硅酸鹽類）夾雜物評級為細系0.5級（C0.5）,D類（球狀氧化物類）夾雜物評級為細系1.5級（D1.5）；沖擊試樣為C類（硅酸鹽類）夾雜物評級為細系0.5級（C0.5）,D類（球狀氧化物類）夾雜物評級為細系2.5級（D2.5）。彎頭中非金屬夾雜物數量較多,但尺寸較小,評級符合GB 6479—2013的要求。 

圖  7  彎頭不同部位的非金屬夾雜物微觀形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：彎頭材料在斷裂前已極度脆化[3-4],在一定外力作用下,彎頭發生脆性斷裂；彎管段硬度高于直管段,拉伸、沖擊性能明顯劣于直管段,這是因為冷加工變形導致材料晶格發生畸變,位錯增加,表現為其韌性、塑性大大降低,硬度升高。鋼管經冷彎變形后發生一定的加工硬化,應經正確的熱處理后方可安裝使用[5]。HG/T 20256—2016 《化工高壓管道通用技術規范》中要求,鋼管冷成型后,應采取600~650 ℃的退火熱處理制度來有效消除加工過程產生的硬化和應力。 

管坯或鋼管在生產加工過程中存在工藝、溫度控制不當等情況,使材料產生魏氏組織和帶狀組織,進一步降低了材料的塑性和沖擊韌性,加劇了管件的脆化[6-8]。低倍組織顯示鋼管中存在大量環形疏松與枝晶偏析,由此可推斷：鋼管廠購買的管坯存在較為明顯的中心疏松（低熔點雜質和氣體造成）,鋼管生產過程中,管坯因穿孔擠壓,形成大量環形疏松與樹枝狀晶,影響了鋼管組織的致密性,同時也降低了管件的橫向力學性能。 

彎頭中未發現氫含量異常,低倍檢驗與金相檢驗時也未發現氫損傷痕跡,且啟裂位置在彎頭外表面,而非接觸介質的內壁,因此可排除可能由介質引起的氫脆現象[9-10]。 

鑒于化工企業壓力管道極易發生重大安全事故,后對其他位置管道取樣檢測,經查證,該牌號相同生成工藝的彎頭均存在該類問題,直管部分性能均符合標準。 

3.   結論與建議

（1）管件材料本身存在魏氏組織,帶狀組織及明顯疏松、偏析等問題,經冷加工變形后未進行正確的熱處理,劣化的材料與加工硬化現象共同導致了彎頭的脆化。極度脆化的鋼管受到一定的外力沖擊,從而造成其一次性脆性斷裂。 

（2）合成氨企業生產管路內介質多為高壓易燃易爆氣體,一旦管路發生問題,可能造成極為嚴重的后果,管件安裝前應確保材料合格,且已經過正確的熱處理,服役過程中也應進行定期常規檢查,防止因載荷、壓力等原因造成管道斷裂甚至爆炸事故。

文章來源——材料與測試網