某天然氣管道三通開裂原因分析

黃佳建

(廣船國際有限公司,廣州 511464)

三通管件作為連接結(jié)構(gòu)在管道工程中應(yīng)用廣泛，其質(zhì)量的優(yōu)劣對管道的安全至關(guān)重要[1]。某公司天然氣管道三通管件，材料為ASTM A234 WPB鋼，使用約5 a(年)后，在定期做磁粉檢驗時發(fā)現(xiàn)表面有2條長裂紋，經(jīng)磨拋處理后觀察，裂紋1長度約25 mm，裂紋2長度約55 mm，如圖1和圖2所示。

圖1 開裂三通宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked tee

圖2 裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the cracks

為找出三通開裂的原因，筆者對開裂三通進(jìn)行了一系列理化檢驗，以期此類事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

在開裂三通上截取試樣，采用美國熱電ARL3460型火花直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見該開裂三通的化學(xué)成分符合ASTM A234/234M-18StandardSpecificationforPipingFittingsofWroughtCarbonSteelandAlloySteelforModerateandHighTemperatureService對ASTM A234 WPB鋼的成分要求。

表1 開裂三通的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked tee(mass fraction) %

1.2 拉伸性能試驗

在開裂三通上截取試樣，對其進(jìn)行室溫拉伸試驗，結(jié)果見表2。可見該開裂三通的拉伸性能符合ASTM A234/234M-18的技術(shù)要求。

表2 開裂三通的拉伸性能試驗結(jié)果Tab.2 Tensile properties test results of the cracked tee

1.3 布氏硬度測試

在開裂三通上截取試樣，對其進(jìn)行布氏硬度測試，結(jié)果見表3。可見該開裂三通的硬度符合ASTM A234/234M-18的技術(shù)要求。

表3 開裂三通的布氏硬度測試結(jié)果Tab.3 Brinell hardness test result of the cracked tee

1.4 宏觀分析

在裂紋1、裂紋2管段的橫截面和無裂紋管段的環(huán)向、縱向分別截取一個試樣，用體積比為1∶1的鹽酸水溶液在70 ℃下浸蝕，如圖3所示。可見裂紋兩側(cè)顏色較深，深色帶沿裂紋走向一直延伸至內(nèi)壁，無裂紋處環(huán)向截面試樣也存在此條帶。此外，4個試樣均可見沿管材環(huán)向或縱向的黑色線條，用體視顯微鏡放大后觀察，黑色的線條為不連續(xù)的孔洞[2]。

圖3 開裂三通試樣截面的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of samples section of the cracked tee:a) cross section of crack 1; b) cross section of crack 2; c) circular section without crack; d) longitudinal section without crack

1.5 維氏硬度測試

采用維氏硬度計對裂紋1橫截面試樣和無裂紋處環(huán)向截面試樣進(jìn)行維氏硬度測試，結(jié)果見表4。可見深色帶區(qū)域的硬度比開裂三通本體的高[3]。

1.6 斷口分析

將開裂三通的裂紋打開，斷口形貌如圖4所示，可見原裂紋完全被氧化物所覆蓋，新鮮斷口有明顯的金屬光澤。

圖4 裂紋打開后的斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture after cracks opening:a) crack 1; b) crack 2

表4 開裂三通的維氏硬度測試結(jié)果Tab.4 Vickers hardness test results of the cracked tee HV10

通過掃描電鏡(SEM)觀察裂紋1打開后的新鮮斷口，如圖5和圖6所示。可見裂紋1的新鮮裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌呈現(xiàn)典型的解理斷裂特征，靠近瞬斷區(qū)有準(zhǔn)解理斷裂特征，為脆性斷裂，這與宏觀斷口出現(xiàn)的金屬光澤相吻合。

圖5 裂紋1新鮮斷口擴(kuò)展區(qū)SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fresh fracture growth zone of crack 1

圖6 裂紋1新鮮斷口接近瞬斷區(qū)SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fresh fracture near the ultimate fracture zone of crack 1

通過SEM的二次電子和背散射電子觀察裂紋2的斷口，如圖7和圖8所示。可見原裂紋區(qū)域有明顯的條狀夾雜鑲嵌在斷面內(nèi)部。采用能譜(EDS)分析圖8中1,2區(qū)域的夾雜物成分，結(jié)果見表5，可見夾雜物只含有氧元素和鐵元素，為鐵的氧化物。

圖7 裂紋2原斷面二次電子形貌Fig.7 Secondary electron morphology of the original section of crack 2

圖8 裂紋2原斷面背散射電子形貌Fig.8 Back scattering electron morphology of the original section of crack 2

表5 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.5 EDS analysis results(mass fraction) %

1.7 金相檢驗及能譜分析

取裂紋1的橫截面試樣，經(jīng)磨拋后用SEM進(jìn)行觀察，如圖9所示，可見其整條裂紋都填滿了夾雜物。對夾雜物進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見表6，可見夾雜物含有碳元素、氧元素和鐵元素，隨著裂紋由表及里的深度增加，碳含量降低，氧含量增加。

圖9 裂紋1的SEM形貌 Fig.9 SEM morphology of crack 1

試樣經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕后，在金相顯微鏡下觀察，如圖10～圖12所示。可見裂紋兩側(cè)顏色較深，本體顏色較淺，其顯微組織均為鐵素體+珠光體，裂紋邊緣鐵素體更為細(xì)小，珠光體相對更多。

表6 夾雜物的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.6 EDS analysis results of inclusions (mass fraction) %

圖10 裂紋1兩側(cè)的顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of two sides of crack 1

圖11 裂紋1邊緣的顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of edge of crack 1

圖12 裂紋1試樣基材的顯微組織形貌Fig.12 Microstructure morphology of base metal of crack 1 sample

截取開裂三通無裂紋處橫、縱截面試樣，經(jīng)磨拋后采用體現(xiàn)顯微鏡進(jìn)行觀察，可見橫截面上有沿厚度方向的長條狀非金屬夾雜物，位于裂紋的延長線上，如圖13所示，開裂三通的環(huán)向有非金屬夾雜物聚集帶，如圖14所示。

圖13 長條狀非金屬夾雜物形貌Fig.13 Morphology of long strip non-metallic inclusion

圖14 非金屬夾雜物聚集帶形貌Fig.14 Morphology of aggregation zone of nonmetallic inclusions

在縱截面試樣近表面發(fā)現(xiàn)有呈條串狀分布的硫化物和細(xì)小的氧化物，如圖15所示。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》中實際檢驗A法進(jìn)行評級，非金屬夾雜物級別為：A2.0，A1.0，B0，C0，D1.5，DS1.5級。

圖15 非金屬夾雜物形貌Fig.15 Morphology of non-metallic inclusions

對圖13和圖15中的夾雜物進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見表7，可見條狀夾雜物的氧化物應(yīng)為Fe2O3，硫化物應(yīng)為MnS。

表7 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.7 EDS analysis results (mass fraction) %

2 分析與討論

通過以上理化檢驗可知，三通原材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。該失效三通采用直縫高頻焊管熱壓沖孔成型，其焊管工藝為卷板后利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使管坯邊緣加熱熔化，從而進(jìn)行壓力焊接。三通裂紋兩側(cè)顏色較深，深色帶由外壁延伸至內(nèi)壁，呈腰鼓型，為高頻焊接時熔化金屬向內(nèi)外壁方向流動，碳元素向加熱的鋼帶邊緣擴(kuò)散所致，呈現(xiàn)典型的高頻焊縫宏觀形貌。深色帶的組織細(xì)小，珠光體含量高，硬度高于基體的，為焊后經(jīng)正火熱處理的組織[4]。

裂紋位于腰鼓型深色區(qū)中心線，開裂處及其延長線區(qū)域均發(fā)現(xiàn)長條形、平直的氧化物夾雜，為高頻焊接時金屬氧化物夾雜在熔合面上所致。這些金屬氧化物是在V型焊接口熔融金屬表面形成的，當(dāng)鋼帶邊緣的接近速度小于熔化速度，熔化速度大于熔融金屬排出速度時，在V型焊接口頂點(diǎn)后形成一個含有熔融金屬和金屬氧化物的狹窄扇形區(qū)，這些金屬氧化物經(jīng)過正常擠壓不能完全排出，從而形成一個夾雜帶，降低了焊縫兩側(cè)母材的結(jié)合力，在使用過程中承受應(yīng)力后易引發(fā)開裂[4-6]。

3 結(jié)論及建議

該天然氣管道三通在直縫鋼管高頻焊接制備時生成的金屬氧化物在擠壓過程中未能排出，長條狀氧化物夾雜沿熔合線分布，降低了母材結(jié)合力，最終導(dǎo)致該三通在使用過程中發(fā)生應(yīng)力開裂。

建議改進(jìn)直縫高頻焊接管的焊接工藝，合理選用焊接參數(shù)，控制V型焊接口角度，提高板邊處理質(zhì)量；加強(qiáng)三通制造過程的質(zhì)量監(jiān)控，對三通成品進(jìn)行磁粉、超聲等無損檢測，有效排除三通的制造缺陷。