摘 要:某石化裝置上使用的異徑三通管件在水壓試驗過程中出現了泄漏。采用宏觀觀察、化 學成分分析、金相檢驗、斷口及能譜分析、力學性能試驗等方法對該異徑三通管件的泄漏原因進行 了分析。結果表明:該異徑三通管件本身存在鑄造夾雜(渣)和制管過程中產生的折疊缺陷,在冷擠 壓過程中沿原始缺陷在變形量最大的過渡徑部位產生裂紋,因而在后續水壓試驗時發生泄漏。
關鍵詞:異徑三通管件;P11鋼;冷擠壓;開裂
中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)12-0063-05
三通管件作為一種用于管道分支的連接部件是 管道系統中重要的結構件,由于自身結構較為特 別,其本身存在較高的結構應力。在服役過程中, 三通管件的受力情況要比直管復雜得多,是管道系 統中的薄弱環節之一,其質量狀況對管線安全營運 有重要的影響[1-2]。
某石化裝置管道在投產前進行水壓試驗時,發 現一個無縫異徑三通管件發生泄漏,泄漏位置如圖 1所示。三通管件材料為P11鋼,規格為 DN150× 100SCH40,三通管件采用冷擠壓成型,成型后進行 了正火+回火處理。為查明三通管件失效原因,防 止此類問題再次發生,筆者對該三通管件進行了檢 驗及分析,找到了該三通管件發生泄漏的主要原因, 并提出了相應的措施和建議。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對失效三通管件泄漏部位進行宏觀觀察,可見 在小管過渡徑處有長約6.5cm的一條裂紋,裂紋較 平直,裂紋走向與小徑管軸向呈約45°,裂紋周圍沒 有明顯塑性變形,也沒發現機械損傷或其他宏觀缺陷,如圖2所示。將三通管件切割剖開后,對內壁裂 紋形貌進行觀察,發現內壁銹蝕較嚴重,但裂紋處沒 發現局部腐蝕或其他明顯宏觀缺陷,如圖3所示。
1.2 化學成分分析
在失效三通管件的直管段上切取試樣,按照 GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含 量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,采 用SPECTRO MAXx型直讀光譜儀對其進行化學 成分分析,結果見表1。可見失效三通管件材料化 學成分滿足ASMESA335—2010Specificationfor Seamless Ferritic Alloy-Steel Pipefor HighTemperatureService對 P11鋼的成分要求。
1.3 金相檢驗
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,觀察裂紋走向及擴展情況。切取 的樣塊經過研磨、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,由外壁開始,向內壁延伸,主裂紋周圍 沒有二次裂紋,如圖4b)所示。
在金相 顯 微 鏡 下 對 金 相 試 樣 進 行 觀 察,如 圖5~圖6所示。可見裂紋的耦合性較差,除主裂 紋外,部分位置存在其他線性缺陷,縫隙內有氧化 物,如圖5a)所示;且裂紋兩側的組織存在一定組織 偏析,該處組織晶粒細小,晶粒內分布有彌散碳化 物,且組織有脫碳現象,如圖5b)所示;遠離裂紋位 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,整個裂紋張口較寬,尖端圓鈍,縫隙內存在 氧化物,如圖6a)所示;距裂紋尖端約1mm 范圍內 分布著具有一定寬度的細小析出物條帶,也就是說 該處存在組織偏析。失效三通管件的小管段未開裂 側過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,說明三通管件在冷成型后 進行的正火+回火處理過程中,正火溫度沒有達到 規定要求。
1.4 裂紋斷口及能譜分析
在裂紋另一端部切取試樣,采用機械方式將裂 紋打開,觀察裂紋斷口形貌特征,如圖8所示。可以 看到試驗室打開斷口呈亮灰白色的金屬色,原始裂 紋打開的斷口為褐色,表面嚴重氧化,斷口邊緣形貌 呈圓弧形不規則形狀,且不規則的部分連接內壁和外壁,貫穿整個壁厚,但斷口特征并沒有裂紋擴展過 程形成的連續性,其特征類似制管時產生的折疊缺 陷形貌。
將斷口置于掃描電鏡(SEM)下進行觀察,可見 斷口表面為完全平整的表面,其形貌特征并沒有金 屬斷裂時產生的形貌特征,如圖9a)所示。可見微 觀形貌也驗證了宏觀觀察的結果,該裂紋的產生是 因為此處存在原始缺陷。原始斷口與試驗室打開斷 口分界線如圖9b)中所示,可見試驗室打開金屬斷 口形貌為典型解理形貌。
對斷口表面腐蝕產物進行能譜分析,分析結果 顯示斷口表面產物主要為鐵的氧化物,如圖10所示。對裂紋縫隙內的條狀產物進行能譜分析,結果 表明該產物含有氧、硫、鈣、鐵、鉻等元素,如圖11所 示。其中氧元素來自氧化物,鐵、鉻均為基體元素, 硫和鈣元素應為在鋼管制造過程中產生的雜質元 素,也就是說在裂紋內部的條形產物為鑄造產生的 夾雜(渣)。
1.5 力學性能試驗
在失效三通管件的小管段未開裂側過渡管徑位 置和直管段位置分別取拉伸、沖擊及硬度試樣,進行 常溫拉伸和沖擊試驗,試驗結果如表2所示。可見 不同位置的拉伸和沖擊性能數據基本一致,且都滿 足 ASME SA335—2010 對 P11 鋼 力 學 性 能 的 要求。
在裂紋附近的過渡管徑處及遠離裂紋的直管段 位置處分別進行布氏硬度測試,測試結果見表3。 結果表明,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離裂紋位置 的硬度較低。
2 分析與討論
失效三通管件材料化學成分和力學性能均符合 ASMESA335—2010對P11鋼的技術要求。從金 相檢驗和斷口分析結果來看,裂紋兩側及裂紋尖端 位置處組織均存在偏析,且裂紋內有條狀物,能譜分 析結果顯示該物中除有基體元素鐵和鉻的氧化物 外,同時還有硫、鈣等雜質元素,說明在裂紋處存在 鑄造時產生的原始夾雜(渣)。從裂紋打開后斷口形 貌特征來看,該開裂并非金屬基體斷裂產生的形貌, 而是類似折疊缺陷的形貌特征,且缺陷貫穿了整個 壁厚。折疊缺陷是在金屬變形流動過程中,由已被 氧化過的金屬匯合在一起而形成的,常見形狀是存 在于軋件一側的貫穿材料全長的折疊、在軋件兩邊 相對稱的側面上貫穿全長的折疊或存在于鍛軋件全 長上的(斷續的、分散的)折疊等。折疊橫截面顯微 組織一般具有以下特征:折疊與其周圍金屬流線方向一致;折疊尾端一般呈小圓角或雞爪形;對于碳 鋼,兩側則一般有氧化、脫碳現象,隨組織流線擠壓 或局部成分偏析[3]。
上述開裂部位的斷口形貌特征及金相分析均符 合折疊的特點。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程中,缺 陷也同時隨金屬擠壓發生了變形,穿透了整個壁厚, 也就是說裂紋在三通管件冷擠壓過程中已經產生。
該失效三通管件采用冷擠壓成型工藝,三通管 件進行冷擠壓成型過程中,過渡徑部位是高應力區, 也是變形量最大的部位[4-5],金相檢驗及硬度測量結 果均表明該失效三通管件的組織和硬度均存在不均 勻現象,且過渡徑位置硬度偏高,說明三通管件冷擠 壓成型后在進行最終的正火+回火熱處理時,沒有 達到熱處理工藝標準要求,沒有消除冷擠壓時形成 的材料冷作硬化。冷擠壓三通管件主管與支管過渡 區域是其結構的薄弱環節,也是三通管件質量控制 的重要關鍵點之一,采用這種工藝生產的三通管件 必須及時消除應力,防止發生脆性開裂[6]。
3 結論及建議
該失效三通管件本身存在鑄造夾雜(渣)和制管 產生的折疊缺陷,在冷擠壓過程中沿原始缺陷在變 形量最大的過渡徑部位已經開裂,因而在后續水壓 試驗時發生泄漏。
為避免此類問題的發生,建議加強對三通管件 原始管坯的出廠檢驗,同時嚴格控制三通管件的成 型工藝。
參考文獻:
[1] 王長安,聶向暉,安順.冷擠壓無縫等徑三通泄漏原因 探究[J].安全分析,2017,34(3):65-69.
[2] 符建安,陳加欽,曾銳,等.燃氣管道風險評價與全面 檢驗實踐[J].壓力容器,2014,31(2):62-66.
[3] 淡婷,李曉光,何莎,等.緊固件折疊缺陷的開裂失效 典型案例分析[J].物理測試,2019,37(4):39-44.
[4] 蘇厚德,馮玉潔,樊建領.異徑擠壓三通應力的有限元 分析[J].石油化工高等學校學報,2010,23(3):86- 89.
[5] 梅其志.受內壓焊制三通管件強度的研究[J].壓力容 器,1992,9(6):20-31.
[6] 劉迎來.管道工程用三通泄漏失效分析及處理對策 [J].金屬熱處理,2007,32(增刊1):106-110.