壓氣站SCH80S三通管件泄漏失效分析*

齊麗華，王振川，王玉雷，戰 彬，王向陽，張偉衛，王 鵬

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；2.中國石油管道建設項目經理部，北京100101）

1 概 述

某壓氣站閥門附近區域存在天然氣泄漏現象，經過對地面以上設備進行逐項排查檢漏后，初步判斷漏點位于地下，對相關區域進行開挖后發現閥門注脂管底部SCH80S三通本體出現長約40 mm的裂縫，SCH80S三通規格為DN25 mm×4.5 mm[1]，圖1為失效三通漏點的具體位置及失效部位局部放大圖。

圖2為送檢試樣的宏觀照片及去除外部卡套和內部膠體的三通。用線切割方法將失效樣品切割，編號取樣檢驗。試樣編碼如圖2（c）所示，利用光學顯微鏡和掃描電鏡對1#、2#、3#、4#和5#試樣分別進行微觀組織觀察和斷口形貌分析。6#和7#試樣進行硬度試驗和化學成分分析。通過對失效試樣的宏觀裂紋觀察可知，三通的外壁有一條長約70 mm、垂直于主管方向的裂紋?？拷ㄖ鞴苤虚g的底部位置為穿透性裂紋，沿上下表面向支管方向直線擴展。

圖1 失效三通漏點的具體位置及失效部位的放大照片

圖2 送檢失效試樣及取樣位置

2 化學成分分析

從SCH80S三通裂紋取7#試樣，依據ASTM A403－WP304－S，用ARL 4460直讀光譜儀進行化學成分檢測，結果見表1。由表1可見，試樣的化學成分除Cr含量略低于標準要求外，其他元素的化學成分均符合ASTM A403－WP304－S對304不銹鋼管件的標準要求[2－3]。

表1 SCH80S三通化學成分分析結果%

3 金相組織分析

依據裂紋宏觀形貌，對其取樣進行微觀組織分析。圖3為2#試樣在體式光學顯微鏡下拍攝的宏觀照片和宏觀裂紋截面金相照片。由圖3可見，裂紋由三通外壁向內擴展，且在壁厚方向形成穿透性裂紋，裂紋擴展路徑平直?？拷髁鸭y的組織內部存在二次裂紋，二次裂紋均由三通外壁向內擴展如圖中箭頭1方向所示，擴展路徑平直且平行于主裂紋的擴展方向，如圖中箭頭2所示[4－5]。

圖4為裂紋截面的微觀組織及二次裂紋的尖端放大圖片。用3HCl∶1HNO3王水溶液對失效試樣進行淺腐蝕，分析裂紋及其近域組織形態變化和二次裂紋的尖端擴展。由圖4可見，三通的組織由奧氏體（白色）和馬氏體（灰色）組成，晶粒尺寸為50～100 μm。主裂紋兩側的微觀組織沿管體厚度方向明顯發生形變伸長，主裂紋為穿晶擴展，如圖4（a）所示。二次裂紋的擴展形式也主要為穿晶擴展，僅在局部區域存在少量的沿晶擴展形式，如圖4（b）所示。

運用掃描電鏡對斷口微觀形貌進行分析，圖5為3#試樣斷口源區宏觀形貌和局部放大圖。圖中箭頭所示為三通的裂紋源區，由圖5（a）可見，裂紋是由三通外表面向內壁擴展，源區及附近區域的斷口表面平坦，均為穿晶斷口形貌，且在源區表面附著少量的氧化產物。圖5（b）為近裂紋源區的局部放大圖片，裂紋源區組織晶粒較大，斷口處的晶粒邊界棱不突出，整個源區斷口面平坦，說明裂紋源區斷口組織較脆，裂紋起裂功和擴展能均很低，為典型的脆性斷口形貌[6-7]。

圖6為裂紋擴展區宏觀形貌和局部放大圖。由圖6（a）可見，在三通的擴展區表面均較為平坦，局部有晶界棱突起。并在晶粒內部的斷口形貌上存在大量的形變帶，且同一晶粒內部的形變帶方向一致，相鄰晶粒內部的形變帶存在一定的夾角，如圖6（b）中箭頭所示。整體裂紋斷口形貌表明，該三通的韌性較低，整體斷口形貌為脆性斷口，裂紋擴展功低。微裂紋在三通主管腹部的外壁處形成，沿整個三通厚度和支管方向迅速擴展。

圖7為裂紋源區近域斷口處的灰色附著產物和斷口組織能譜分析圖。由圖7可知，裂紋源區的灰色物質主要成分為O、C、Fe、Ca和Cr，主要為基體組織的氧化產物。斷口組織的主要成分為Fe、C、Cr、Ni和O，表明其表面仍有少量的氧化產物，且基體組織主要由Fe、C、Cr和Ni組成。其中Cr和Ni元素的質量比約為17∶7，說明基體組織的原始形態為奧氏體。

圖8為裂紋擴展區斷口組織能譜分析圖。由圖8可知，裂紋擴展區的主要成分為Fe、C、Cr和Ni。其中Cr和Ni元素的質量比值與裂紋源區接近，約為17∶7，為奧氏體不銹鋼。

圖3 2#試樣裂紋的宏觀截面圖

圖4 裂紋截面的微觀組織

圖5 3#試樣斷口源區宏觀形貌和局部放大圖

圖6 3#試樣斷口擴展區宏觀形貌和局部放大圖

圖7 裂紋源區近域灰色物質形貌及能譜曲線

圖8 裂紋擴展區斷口組織的能譜分析

為進一步分析三通的裂紋成因，對裂紋兩側的基體組織進行分析，如圖9所示。由圖9可見，三通的基體組織均沿厚度方向發生明顯的形變，其中白色區域組織為奧氏體，灰色區域為形變馬氏體組織，是基體組織發生形變后發生相變，由奧氏體轉變成形變馬氏體組織。圖9（b）為圖 9（a）中灰色區域 A的局部放大圖[8]。由圖9（b）可見，形變馬氏體組織內部存在明顯的形變帶，其形變帶在晶粒內部與形變呈一定角度平行分布。這與上面掃描電鏡觀察到的斷口組織形貌（圖 6（b））相吻合。

圖9 裂紋近域微觀組織及其放大圖片

表2為6#試樣硬度試驗結果。結合微觀組織的形態特點可知，該處為奧氏體發生形變后發生相變，轉變為形變馬氏體。

表2 6#試樣硬度試驗結果

4 綜合分析

三通的化學成分基本符合ASTM A403-WP304-S標準對304S不銹鋼的要求。由失效三通的化學成分可知，該三通為304S奧氏體不銹鋼材質。該類尺寸的三通一般制作工藝是三通整體熱擠壓成型+高溫固熔處理[9-11]。三通經熱擠壓成型時，其奧氏體晶粒發生形變強化，轉變成馬氏體組織，從而導致三通硬度提高而塑性和韌性急劇降低。高溫固熔處理的作用是將形變后的馬氏體組織全部轉變為奧氏體組織，消除熱擠壓成型帶來的組織轉變成馬氏體脆硬相的影響和三通的殘余應力，使基體組織達到穩定狀態。

該不銹鋼三通是經過熱擠壓成型工藝制作的，但沒有經過整體的固熔處理。因此，其組織類型為奧氏體+形變馬氏體，三通的強度很高，但塑性和韌性很低，不符合不銹鋼三通的特點。在外界偶然因素的作用下，由三通外表面起裂并迅速擴展形成貫穿性裂紋，從而導致三通的整體失效。

5 結 論

（1） DN 25 mm×4.5 mm SCH80S三通的化學成分基本符合ASTM A403-WP304-S標準對304S不銹鋼的要求。

（2）三通經熱擠壓成型后未經過高溫固熔處理，導致整體三通硬度高而塑性和韌性急劇降低，在外界偶然因素下起裂后迅速擴展形成貫穿裂紋，這是導致三通失效的直接原因。

（3）針對三通的供貨要求，不僅要供貨方提供三通的外表面質量和材質單證明，同時應對不銹鋼三通的生產制作工藝提出要求，并需供貨方出具相應的證明材料。

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