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(xiàn)了泄漏。采用宏觀觀察、化 學(xué)成分分析、金相檢驗、斷口及能譜分析、力學(xué)性能試驗等方法對該異徑三通管件的泄漏原因進(jìn)行 了分析。結(jié)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(chǎn)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(chǎn)生裂紋,因而在后續(xù)水壓試驗時發(fā)生泄漏。
關(guān)鍵詞:異徑三通管件;P11鋼;冷擠壓;開裂
中圖分類號:TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)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(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)量狀況對管線安全營運(yùn) 有重要的影響[1-2]。
某石化裝置管道在投產(chǎn)前進(jìn)行水壓試驗時,發(fā) 現(xiàn)一個無縫異徑三通管件發(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 止此類問題再次發(fā)生,筆者對該三通管件進(jìn)行了檢 驗及分析,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。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對失效三通管件泄漏部位進(jìn)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(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后,對內(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 發(fā)現(xiàn)局部腐蝕或其他明顯宏觀缺陷,如圖3所示。
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/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(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,采 用SPECTRO MAXx型直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué) 成分分析,結(jié)果見表1。可見失效三通管件材料化 學(xué)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(kuò)展情況。切取 的樣塊經(jīng)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(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,由外壁開始,向內(nèi)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(jìn) 行 觀 察,如 圖5~圖6所示?？梢娏鸭y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1mm 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 該處存在組織偏析。失效三通管件的小管段未開裂 側(cè)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(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,說明三通管件在冷成型后 進(jìn)行的正火+回火處理過程中,正火溫度沒有達(dá)到 規(guī)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(jī)械方式將裂 紋打開,觀察裂紋斷口形貌特征,如圖8所示?？梢?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(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,貫穿整個壁厚,但斷口特征并沒有裂紋擴(kuò)展過 程形成的連續(xù)性,其特征類似制管時產(chǎn)生的折疊缺 陷形貌。
將斷口置于掃描電鏡(SEM)下進(jìn)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(chǎn)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(jié)果,該裂紋的產(chǎn)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(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)為在鋼管制造過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)元 素,也就是說在裂紋內(nèi)部的條形產(chǎn)物為鑄造產(chǎn)生的 夾雜(渣)。
1.5 力學(xué)性能試驗
在失效三通管件的小管段未開裂側(cè)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(jìn)行 常溫拉伸和沖擊試驗,試驗結(jié)果如表2所示?？梢?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 P11 鋼 力 學(xué) 性 能 的 要求。
在裂紋附近的過渡管徑處及遠(yuǎn)離裂紋的直管段 位置處分別進(jìn)行布氏硬度測試,測試結(jié)果見表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。
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 ASMESA335—2010對P11鋼的技術(shù)要求。從金 相檢驗和斷口分析結(jié)果來看,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,同時還有硫、鈣等雜質(zhì)元素,說明在裂紋處存在 鑄造時產(chǎn)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(chǎn)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(cè)的貫穿材料全長的折疊、在軋件兩邊 相對稱的側(cè)面上貫穿全長的折疊或存在于鍛軋件全 長上的(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(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程中,缺 陷也同時隨金屬擠壓發(fā)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(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)行冷擠壓成型過程中,過渡徑部位是高應(yīng)力區(qū), 也是變形量最大的部位[4-5],金相檢驗及硬度測量結(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,且過渡徑位置硬度偏高,說明三通管件冷擠 壓成型后在進(jìn)行最終的正火+回火熱處理時,沒有 達(dá)到熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)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(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 必須及時消除應(yīng)力,防止發(fā)生脆性開裂[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,在冷擠壓過程中沿原始缺陷在變 形量最大的過渡徑部位已經(jīng)開裂,因而在后續(xù)水壓 試驗時發(fā)生泄漏。
為避免此類問題的發(fā)生,建議加強(qiáng)對三通管件 原始管坯的出廠檢驗,同時嚴(yán)格控制三通管件的成 型工藝。
參考文獻(xiàn):
[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?xì)夤艿里L(fēng)險評價與全面 檢驗實(shí)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(lǐng).異徑擠壓三通應(yīng)力的有限元 分析[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報,2010,23(3):86- 89.
[5] 梅其志.受內(nèi)壓焊制三通管件強(qiáng)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.