20G無縫鋼管開裂原因

楊文靜

[1.安工腐蝕檢測實驗室科技(無錫)有限公司, 無錫 214028；2.首鋼技術(shù)研究院, 北京 100041；3.北京科技大學 國家材料服役安全科學中心，北京 100083]

20G無縫鋼管屬于高壓鍋爐管，是一種具有中空截面、周邊沒有接縫的長條鋼材，在鍋爐管道、輸油管道、天然氣管道、煤氣管道等方面廣泛應用[1-5]。20G無縫鋼管常期處于高壓、高溫的環(huán)境，在高溫煙氣和水蒸氣的作用下，鋼管會發(fā)生氧化和腐蝕等損傷，因此對鋼管的持久強度、抗氧化腐蝕及組織穩(wěn)定性有較高的要求[6]。在不同溫度及介質(zhì)的情況下，鋼管容易發(fā)生脫碳，使鋼管壁上受到不同程度的腐蝕，從而縮短管道的使用壽命。有研究發(fā)現(xiàn)：20G無縫鋼管的開裂不是材料造成的，而是水質(zhì)較差導致的[7]。除此之外，熱應力也會加劇鋼管材料的局部損傷，導致爆管[8]。

管道在服役4 a后發(fā)生開裂，該管段的服役環(huán)境為：內(nèi)部介質(zhì)為除鹽水，溫度約為200 ℃，壓力約為5 MPa；外部介質(zhì)為煙氣，溫度約為300 ℃，且常年恒定。筆者采用一系列理化檢驗方法對其開裂原因進行分析，以防止該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

送檢20G無縫鋼管的外徑為25 mm，原壁厚為5 mm，共3段。1號管段內(nèi)、外壁均腐蝕嚴重，已出現(xiàn)變薄和開裂現(xiàn)象(見圖1)；2號管段內(nèi)壁腐蝕嚴重，外壁腐蝕稍輕(見圖2)；3號管段為未服役管段(見圖3)。

圖1 1號管段宏觀形貌

圖2 2號管段宏觀形貌

圖3 3號管段宏觀形貌

1.2 化學成分分析

根據(jù)GB/T 4336—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)》對鋼管進行化學成分分析，在溫度為26 ℃，濕度為35%的環(huán)境下檢測。3個管段的化學成分分析結(jié)果如表1所示，由表1可以看出，送檢鋼管的化學成分符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表1 3個管段的化學成分分析結(jié)果 %

根據(jù)GB 6920—1986 《水質(zhì) PH值的測定 玻璃電極法》和GB/T 15453—2018 《工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中氯離子的測定》對內(nèi)部介質(zhì)水樣的化學成分進行分析，在溫度為20 ℃，濕度為30%的環(huán)境下進行檢測。內(nèi)部介質(zhì)水樣的pH為6.76，Cl-的密度小于3 mg/L，結(jié)果均符合技術(shù)要求。

1.3 硬度測試

根據(jù)GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對鋼管進行硬度測試。受形狀和尺寸的限制，僅能從管體截面進行硬度測試，雖然測試尺寸略微偏小，但根據(jù)經(jīng)驗，硬度結(jié)果在不作為關(guān)鍵性判據(jù)的情況下，仍可作為參考。測試結(jié)果如表2所示，由表2可以看出，鋼管的布氏硬度比GB/T 5310—2017標準的要求高。

表2 3個管段的布氏硬度測試結(jié)果 HBW

1.4 金相檢驗

對1號管段的開裂部位進行金相檢驗，微觀形貌如圖4，5所示。由圖4，5可以看出：1號管段開裂部位明顯變薄，最薄處只有0.15 mm，而管段原壁厚為5 mm，可見鋼管在開裂之前已經(jīng)在內(nèi)部水的壓力下不斷被拉伸并減薄，且管段內(nèi)側(cè)較外側(cè)腐蝕更嚴重。內(nèi)表面腐蝕區(qū)域覆蓋著厚度約為0.15 mm的氧化鐵皮和腐蝕產(chǎn)物。推測管斷的開裂過程是內(nèi)表面最先開始受力，然后逐漸被拉伸減薄。

圖4 1號管段開裂部位微觀形貌(腐蝕前)

圖5 1號管段開裂部位微觀形貌(腐蝕后)

對2號和3號管段進行金相檢驗，結(jié)果如圖6～8所示。可以看出，20G鋼的基體組織為鐵素體和珠光體，在1號、2號、3號管段的內(nèi)表面均有明顯的脫碳現(xiàn)象。服役后的管段脫碳層深度較深，且完全脫碳，脫碳處組織為單一的鐵素體，并伴隨著晶粒長大，脫碳層深度約為177 μm；3號管段內(nèi)表面也存在脫碳，脫碳層深度約為123 μm；3個管段的外表面也存在脫碳，相比內(nèi)表面，脫碳深度較淺，脫碳層深度約為68 μm。由此可知，管段在未服役之前存在脫碳現(xiàn)象。脫碳能顯著降低材料的硬度、強度、耐腐蝕、耐熱等性能。同時經(jīng)測量，管段基體鐵素體晶粒度為8.5級，開裂處1號管段脫碳區(qū)域的粗大鐵素體晶粒度為5.5級。 管段的夾雜物不嚴重，主要為A類細系1級，D類細系1級(見圖9)。氧化物質(zhì)點的微觀形貌如圖10所示。

圖6 2號管段漏洞部位顯微組織形貌

圖7 3號未服役管段的顯微組織形貌(內(nèi)壁)

圖8 3號未服役管段的顯微組織形貌(外壁)

圖9 夾雜物微觀形貌

圖10 氧化物質(zhì)點的微觀形貌

1.5 掃描電鏡和能譜分析

對氧化物質(zhì)點處進行掃描電鏡(SEM)和能譜分析，結(jié)果如圖11和表3所示。

表3 氧化物質(zhì)點處的能譜分析結(jié)果 %

圖11 氧化物質(zhì)點處的能譜分析位置

1號開裂管段內(nèi)表面已經(jīng)發(fā)生氧化，并存在微裂紋，裂紋周圍有很多高溫氧化物質(zhì)點。氧化物質(zhì)點沿晶界分布，使材料晶界弱化，降低了材料的力學性能及抗腐蝕性能，高溫質(zhì)點是空氣或鋼中的氧元素與鋼中強氧化性的硅元素、錳元素結(jié)合，形成富集硅元素、錳元素的氧化物顆粒。點狀氧化物的形成需要更高的溫度和更長的時間，溫度要達到950～1 200 ℃，時間至少大于0.5 h。據(jù)此推測，內(nèi)表面有高溫質(zhì)點的微裂紋可能是材料原來就有的。

服役管段內(nèi)表面的SEM形貌如圖12，13所示，可以看出，在腐蝕坑的尾部已萌生出微小裂紋，裂紋沿晶擴展。

圖12 服役管段內(nèi)表面的SEM形貌

對服役管段表面的腐蝕產(chǎn)物進行掃描電鏡及能譜分析，結(jié)果如圖13和表4所示，可知由于內(nèi)表面脫碳嚴重，其抗腐蝕能力大大降低，金屬發(fā)生腐蝕后，與水中的氧、鈣、鈉、鎂元素等結(jié)合，形成了腐蝕產(chǎn)物。

圖13 腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置

表4 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果 %

2 綜合分析和結(jié)論

該服役管段的化學成分分析結(jié)果符合要求，其基體組織正常，表面硬度稍高，但并不會影響管段的使用。鋼管開裂的主要原因為管段內(nèi)表面存在嚴重脫碳，導致其硬度、強度、耐腐蝕、耐熱能力顯著降低，再加上管段內(nèi)表面有高溫氧化物質(zhì)點，使鋼管在一定水壓環(huán)境的使用過程中，受力超過其本身強度極限，使管壁不斷變薄并開裂。

20G無縫鋼管內(nèi)表面的脫碳比外表面嚴重，這主要與鋼管的穿孔和連軋工藝有關(guān)。主要原因有：穿孔速度不當造成內(nèi)壁溫度過高；內(nèi)壁除氧化劑的質(zhì)量不佳；終軋溫度偏高，內(nèi)壁溫度比外壁高。其服役溫度為200～300 ℃，在正常使用過程中不會發(fā)生脫碳。

GB/T 5310—2017規(guī)定：外壁全脫碳小于0.2 mm，內(nèi)壁全脫碳小于0.3 mm，兩者之和小于0.4 mm。未使用的3號管滿足該項要求，而1，2號管段在發(fā)生嚴重腐蝕減薄后，仍有非常嚴重的脫碳情況發(fā)生，顯然不滿足此項要求。

建議相關(guān)使用方在采購及使用20G無縫鋼管時，要求供貨方嚴格質(zhì)檢，且按照不能低于GB/T 5310—2017標準的要求供貨，如使用條件特別苛刻，可適當嚴格要求表面脫碳層指標。