李金鳳，任國琪，宋 娟，吳 雙，雷云飛

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.河南鄭州中牟縣管道三公司項目管理中心，河南 鄭州 451450)

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·失效分析與預防·

氣瓶管開裂失效分析

李金鳳1，任國琪1，宋 娟1，吳 雙1，雷云飛2

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.河南鄭州中牟縣管道三公司項目管理中心，河南 鄭州 451450)

通過對某公司的氣瓶管樣品進行宏觀分析、無損檢測、理化性能、金相及斷口微觀分析，發現氣瓶管裂紋是由無縫鋼管熱軋過程中的折疊缺陷引起，氣瓶生產收底過程中，折疊缺陷進一步擴展，最終導致氣瓶管開裂。并對該批無縫鋼管的質量檢驗以及熱軋工藝提出建議。

氣瓶；開裂；折疊缺陷

0 引 言

某公司在氣瓶制造收底時，發現氣瓶加熱區有一條裂紋，開裂氣瓶用鋼管屬熱軋無縫鋼管，規格為Φ219 mm×5.7 mm，材質牌號為37Mn/1。生產執行標準為GB 18248-2008《氣瓶用無縫鋼管》、HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術協議書》；無縫鋼管軋制工藝：下料、管坯加熱1 280℃、穿孔、1 060℃軋管、880℃再加熱、760℃定徑、成品；氣瓶的生產工藝：下料、1 040℃～1 060℃中頻感應加熱管端、管端收口收底、840℃～860℃正火、表面噴砂烤漆、壓力試驗、成品。

1 宏觀分析、外觀尺寸及無損檢測

開裂樣品宏觀形貌及裂紋如圖1所示。由圖1可見，失效氣瓶管的底部及部分管體外表面有明顯加熱痕跡(藍灰色區)，加熱區的管體外表面及瓶底有1條肉眼可見的軸向裂紋。

對委托樣品進行尺寸檢測，檢測結果見表1；依照JB/T4730.4-2005標準，用CJZ-212ET探傷設備對樣品外表面進行磁粉探傷，發現樣品外表面沿軸向有1條裂紋，樣品底部有1條裂紋，且底部裂紋與軸向裂紋相連通，裂紋長度與樣品長度相等(305 mm)，磁粉探傷裂紋圖像特征如圖2～3所示。

圖1 樣品宏觀形貌

名稱外徑壁厚樣品219.32、219.70、219.566.17、6.33、6.36、6.38、6.43、6.15、6.35、6.25、HYJX2014-086技術協議要求218.25～219.755.7～6.98

圖2 樣品外表面軸向裂紋

圖3 樣品底部外表面裂紋

2 理化性能檢驗

2.1 化學成分分析

依據GB 4336-2002標準 用ARL4460直讀光譜儀對樣品進行化學成分分析，分析結果見表2。

2.2 力學性能試驗

沿管體縱向在開裂氣瓶管的非裂紋區取拉伸及夏比V型缺口沖擊試驗樣品，分別用UH-F500KNI及PIT752D-2試驗設備進行試驗，依據標準為GB/T 228.1-2010及GB/T 229-2007，試驗結果見表3。

3 金相分析

3.1 裂紋區樣品分析

從氣瓶樣品裂紋區取樣，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統進行金相分析，裂紋區取樣位置如圖4、圖5所示。金相分析樣品編號為1、2、4、6、7、8、10、11。

1、2、4、6樣品位于氣瓶管瓶身，且在氣瓶生產中未經過感應加熱，屬熱軋無縫管區；7、8號樣品位于氣瓶瓶身，氣瓶制造時已感應加熱、屬擠壓收底過渡區；10、11號樣品位于瓶底，氣瓶制造時已感應加熱，屬擠壓收底區。

金相樣品分析面為橫向(垂直于裂紋方向)。分析發現，氣瓶管3個區域的8個典型試樣的裂紋均起源于氣瓶樣品管的外表面。靠近外表面裂紋開口較大，裂紋尖端相對較細小圓鈍，裂紋與外表面夾角大約為45°。裂紋內及裂紋附近均有灰色塊狀及球狀非金屬物質。與非裂紋區組織“珠光體+網狀鐵素體”比較，裂紋附近組織有明顯的擠壓變形流線痕跡，且裂紋兩側金相組織主要為塊狀鐵素體，表明氣瓶管的裂紋附近有明顯的氧化脫碳特征[1]。裂紋及裂紋附近微觀特征如圖6～圖11所示。裂紋距外表面垂直距離(深度)測量結果見表4。

表2 化學成分分析結果(Wt×10-2)

注：GB/T 222-2002規定：C含量的上偏差為0.03%。

表3 力學性能試驗結果

3.2 非裂紋區樣品分析

從氣瓶樣品非裂紋區取樣，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統分析，樣品組織為“珠光體+網狀鐵素體”；分別依據GB/T 10561-2005、GB/T 6394-2002標準對所取樣品非金屬夾雜物[2]、晶粒度[3]進行分析，分析結果見表5。

表4 裂紋深度測量結果(mm)

表5 非裂紋區金相分析結果

注：非金屬夾雜物評級中，B2.5 s 為超尺寸夾雜物，長度為586 um，最大厚度為25 um。

圖4 樣品外表面裂紋區取樣位置

圖5 樣品底部裂紋區取樣位置

圖6 2號外表面裂紋內灰色非金屬物質及組織

圖7 圖6放大

圖8 6號外表面裂紋內非金屬物質及組織

圖9 圖8放大

圖10 11號外表面裂紋及組織

圖11 圖10放大

4 掃描電子顯微鏡及能譜分析

分別對1、2、4、6、7、8、10及11號金相樣品的裂紋及裂紋附近非金屬物質用VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡進行分析，分析結果見表6及圖12～圖15。

5 結果分析

5.1 氣瓶管樣品材質及外觀尺寸分析

對氣瓶管樣品瓶身進行外觀尺寸(外徑、壁厚)檢測，外徑、壁厚均符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術協議書》要求；氣瓶管的化學成分符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術協議書》對37Mn/1的要求；氣瓶管材料中B類非金屬夾雜物為2.5級，不符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術協議書》要求；氣瓶管的外表面金相組織主要為鐵素體，明顯存在氧化脫碳層。壁厚心部金相組織為“珠光體+網狀鐵素體”，晶粒度為4.0級。

表6 裂紋內及裂紋附近灰色非金屬物質能譜分析結果(Wt%)

圖12 2號裂紋內非金屬物質能譜分析位置及曲線

圖13 2號裂紋內非金屬物質能譜分析位置及曲線

圖14 6號裂紋內非金屬物質能譜分析位置及曲線

圖15 11號裂紋內非金屬物質能譜分析位置及曲線

5.2 氣瓶管樣品裂紋分析

由氣瓶管樣品無損檢測結果可知，氣瓶管外表面有一條貫穿樣品底部及全長的裂紋，這條裂紋分布在3個區域，分別為瓶身熱軋無縫管區裂紋、瓶身感應加熱過渡區裂紋、瓶底感應加熱區裂紋。樣品其它區域未發現裂紋類缺陷；氣瓶用無縫管制造工藝為熱軋，氣瓶制造過程中，收底前需中頻感應加熱，氣瓶管裂紋是收底時發現的，肉眼可見的裂紋出現在氣瓶管感應加熱區(存在深灰色痕跡)，該區裂紋又與無損檢測發現的非感應加熱區裂紋相連通，可見加熱區裂紋與非加熱區裂紋屬一條裂紋；經金相分析，位于氣瓶管瓶身的8號樣品裂紋(感應加熱區)最大深度為2.51 mm，占瓶身壁厚(5.7 mm)的44%；6號樣品(非感應加熱區)裂紋最大深度1.29 mm，占瓶身壁厚的23%。說明氣瓶管收底時感應加熱區的裂紋較深，熱軋鋼管區裂紋相對較淺。

經掃描電子顯微鏡能譜分析，裂紋內及裂紋附近非金屬物質中氧元素含量為25.27～40.24 Wt% ，鐵元素的含量為39.72～71.49 Wt% ，這些非金屬物質形貌結構相對都較致密，可見裂紋內及裂紋附近灰色非金屬物質主要為鐵的氧化物，屬高溫氧化物；金相分析，裂紋均起源于氣瓶樣品管的外表面，裂紋開口較大，尖端相對較細小圓鈍，裂紋與外表面夾角大約為45°夾角，裂紋周圍組織有氧化脫碳特征，可見委托分析的氣瓶管樣品裂紋屬折疊裂紋[4]。氣瓶管3個區域的裂紋外觀及尺寸雖有差異，但裂紋附近的組織、非金屬物質等微觀特征基本相同，因此可以判斷貫穿氣瓶管樣品全長的裂紋是在鋼管生產熱軋過程中產生的折疊裂紋。

由委托單位提供資料可知，氣瓶用無縫鋼管屬熱軋鋼管，鋼管軋制過程中管坯加熱致1 280℃，軋管溫度1 060℃，高溫下管體表面與空氣接觸，表面氧化脫碳，產生鐵的高溫氧化物。正常熱軋狀態下，鋼管表面形成的氧化鐵皮只存在于鋼管表面，若軋制工藝異常，鋼管金屬在軋制流變過程中與已氧化的表層金屬(氧化皮)匯和在一起形成折疊裂紋。氣瓶管感應加熱收底擠壓過程中，鋼管熱軋時已產生的折疊裂紋再次被加熱，在熱應力及表面拉伸應力作用下，原有的折疊裂紋進一步擴展、裂紋附近再次氧化脫碳，最終導致氣瓶管收底樣品的感應加熱區形成了開口較大的宏觀裂紋。

6 結論及建議

1)氣瓶管樣品的化學成分及外觀尺寸檢測結果均符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術協議書》對37Mn/1材質的要求；非金屬夾雜物分析結果中B類夾雜物不符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術協議書》要求。

2)氣瓶用無縫鋼管熱軋生產過程中產生了折疊缺陷，氣瓶感應加熱成型收底過程中，折疊缺陷進一步擴展，導致氣瓶管開裂失效。

3)建議對該批無縫鋼管重新進行無損檢測，同時檢查改進鋼管熱軋工藝，防止類似問題再次發生。

[1] 劉瑞堂.機械零件失效分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2003：178-179.

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法：GB/T 10561-2005[S]．北京：中國標準出版社，2005.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局.金屬平均晶粒度測定方法：GB/T 6394-2002[S]．北京：中國標準出版社，2003.

[4] 鐘群鵬.材料失效診斷、預測和預防[M].湖南：中南大學出版社,2009：60-64.

Failure Analysis of Gas Cylinder

LI Jinfeng1，REN Guoqi1，SONG Juan1，WU Shuang1，LEI Yunfei2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China;2.No.3ConstrictiollBranchCompanyofCPP,Zhengzhou,Henan451450,China)

Through visual inspection, non-destructively test, physical and chemical analysis, metallographic examination, and fraction surface analysis of the crack in the gas cylinder body, it was found that the crack was caused by folding defect during hot rolling process of seamless steel pipe. At the end of cylinder production, the folding defect expanded further to lead to the cylinder cracking. Some suggestions were given to the same batch seamless pipequality inspection and hot rolling technique.

gas cylinder; crack; folding defect

李金鳳，女，1963年生，高級工程師，1987年畢業于西北工業大學金屬材料及熱處理專業。主要從事石油工業產品的失效分析、質量檢驗、技術監督及科研工作。E-mail:lijinfeng002@cnpc.com.cn

TE972

A

2096-0077(2016)05-0030-06

2016-04-28 編輯：葛明君)