摘 要:某石化装置上使用的异径三通管件在水压试验过程中出现了泄漏。采用宏观观察、化 学成分分析、金相检验、断口及能谱分析、力学性能试验等方法对该异径三通管件的泄漏原因进行 了分析。结果表明:该异径三通管件本身存在铸造夹杂(渣)和制管过程中产生的折叠缺陷,在冷挤 压过程中沿原始缺陷在变形量最大的过渡径部位产生裂纹,因而在后续水压试验时发生泄漏。

关键词:异径三通管件;P11钢;冷挤压;开裂

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)12-0063-05

三通管件作为一种用于管道分支的连接部件是 管道系统中重要的结构件,由于自身结构较为特 别,其本身存在较高的结构应力。在服役过程中, 三通管件的受力情况要比直管复杂得多,是管道系 统中的薄弱环节之一,其质量状况对管线安全营运 有重要的影响[1-2]。

某石化装置管道在投产前进行水压试验时,发 现一个无缝异径三通管件发生泄漏,泄漏位置如图 1所示。三通管件材料为P11钢,规格为 DN150× 100SCH40,三通管件采用冷挤压成型,成型后进行 了正火+回火处理。为查明三通管件失效原因,防 止此类问题再次发生,笔者对该三通管件进行了检 验及分析,找到了该三通管件发生泄漏的主要原因, 并提出了相应的措施和建议。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对失效三通管件泄漏部位进行宏观观察,可见 在小管过渡径处有长约6.5cm的一条裂纹,裂纹较 平直,裂纹走向与小径管轴向呈约45°,裂纹周围没 有明显塑性变形,也没发现机械损伤或其他宏观缺​陷,如图2所示。将三通管件切割剖开后,对内壁裂 纹形貌进行观察,发现内壁锈蚀较严重,但裂纹处没 发现局部腐蚀或其他明显宏观缺陷,如图3所示。

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1.2 化学成分分析

在失效三通管件的直管段上切取试样,按照 GB/T4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含 量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》,采 用SPECTRO MAXx型直读光谱仪对其进行化学 成分分析,结果见表1。可见失效三通管件材料化 学成分满足ASMESA335—2010Specificationfor Seamless Ferritic Alloy-Steel Pipefor HighTemperatureService对 P11钢的成分要求。​

1.3 金相检验

在失效三通管件的裂纹中部及裂纹端部分别切 取截面金相试样,观察裂纹走向及扩展情况。切取 的样块经过研磨、抛光和浸蚀后制成金相试样,可以 看到中间部位截取金相试样的裂纹已经贯穿壁厚,​如图4a)所示,靠近裂纹端部截取的金相试样裂纹 未穿透壁厚,由外壁开始,向内壁延伸,主裂纹周围 没有二次裂纹,如图4b)所示。

​在金相 显 微 镜 下 对 金 相 试 样 进 行 观 察,如 图5~图6所示。可见裂纹的耦合性较差,除主裂 纹外,部分位置存在其他线性缺陷,缝隙内有氧化 物,如图5a)所示;且裂纹两侧的组织存在一定组织 偏析,该处组织晶粒细小,晶粒内分布有弥散碳化 物,且组织有脱碳现象,如图5b)所示;远离裂纹位 置组织为铁素体+珠光体,球状碳化物,如图5c)所 示。由裂纹端部位置取截面样品的显微组织形貌可 以看出,整个裂纹张口较宽,尖端圆钝,缝隙内存在 氧化物,如图6a)所示;距裂纹尖端约1mm 范围内 分布着具有一定宽度的细小析出物条带,也就是说 该处存在组织偏析。失效三通管件的小管段未开裂 侧过渡径位置和直管段位置的显微组织形貌如图7 所示,小管过渡径位置处显微组织为铁素体+珠光 体,如图7a)所示;而直管段位置处显微组织为铁素 体+贝氏体,还有部分奥氏体化后形成的细晶粒珠 光体,如图7b)中箭头处所示。该失效三通管件不 同位置的显微组织不同,说明三通管件在冷成型后 进行的正火+回火处理过程中,正火温度没有达到 规定要求。

1.4 裂纹断口及能谱分析

在裂纹另一端部切取试样,采用机械方式将裂 纹打开,观察裂纹断口形貌特征,如图8所示。可以 看到试验室打开断口呈亮灰白色的金属色,原始裂 纹打开的断口为褐色,表面严重氧化,断口边缘形貌 呈圆弧形不规则形状,且不规则的部分连接内壁和​外壁,贯穿整个壁厚,但断口特征并没有裂纹扩展过 程形成的连续性,其特征类似制管时产生的折叠缺 陷形貌。

将断口置于扫描电镜(SEM)下进行观察,可见 断口表面为完全平整的表面,其形貌特征并没有金 属断裂时产生的形貌特征,如图9a)所示。可见微 观形貌也验证了宏观观察的结果,该裂纹的产生是 因为此处存在原始缺陷。原始断口与试验室打开断 口分界线如图9b)中所示,可见试验室打开金属断 口形貌为典型解理形貌。

对断口表面腐蚀产物进行能谱分析,分析结果 显示断口表面产物主要为铁的氧化物,如图10所​示。对裂纹缝隙内的条状产物进行能谱分析,结果 表明该产物含有氧、硫、钙、铁、铬等元素,如图11所 示。其中氧元素来自氧化物,铁、铬均为基体元素, 硫和钙元素应为在钢管制造过程中产生的杂质元 素,也就是说在裂纹内部的条形产物为铸造产生的 夹杂(渣)。

1.5 力学性能试验

在失效三通管件的小管段未开裂侧过渡管径位 置和直管段位置分别取拉伸、冲击及硬度试样,进行 常温拉伸和冲击试验,试验结果如表2所示。可见 不同位置的拉伸和冲击性能数据基本一致,且都满 足 ASME SA335—2010 对 P11 钢 力 学 性 能 的 要求。 ​

在裂纹附近的过渡管径处及远离裂纹的直管段 位置处分别进行布氏硬度测试,测试结果见表3。 结果表明,不同位置的硬度不均匀,在三通管件变径 处硬度偏高,接近小管端部的硬度与远离裂纹位置 的硬度较低。

2 分析与讨论

失效三通管件材料化学成分和力学性能均符合 ASMESA335—2010对P11钢的技术要求。从金 相检验和断口分析结果来看,裂纹两侧及裂纹尖端 位置处组织均存在偏析,且裂纹内有条状物,能谱分 析结果显示该物中除有基体元素铁和铬的氧化物 外,同时还有硫、钙等杂质元素,说明在裂纹处存在 铸造时产生的原始夹杂(渣)。从裂纹打开后断口形 貌特征来看,该开裂并非金属基体断裂产生的形貌, 而是类似折叠缺陷的形貌特征,且缺陷贯穿了整个 壁厚。折叠缺陷是在金属变形流动过程中,由已被 氧化过的金属汇合在一起而形成的,常见形状是存 在于轧件一侧的贯穿材料全长的折叠、在轧件两边 相对称的侧面上贯穿全长的折叠或存在于锻轧件全 长上的(断续的、分散的)折叠等。折叠横截面显微 组织一般具有以下特征:折叠与其周围金属流线方​向一致;折叠尾端一般呈小圆角或鸡爪形;对于碳 钢,两侧则一般有氧化、脱碳现象,随组织流线挤压 或局部成分偏析[3]。

上述开裂部位的断口形貌特征及金相分析均符 合折叠的特点。裂纹的形成主要是源于原管坯上的 夹杂(渣)和折叠缺陷,在三通管件冷挤压过程中,缺 陷也同时随金属挤压发生了变形,穿透了整个壁厚, 也就是说裂纹在三通管件冷挤压过程中已经产生。

该失效三通管件采用冷挤压成型工艺,三通管 件进行冷挤压成型过程中,过渡径部位是高应力区, 也是变形量最大的部位[4-5],金相检验及硬度测量结 果均表明该失效三通管件的组织和硬度均存在不均 匀现象,且过渡径位置硬度偏高,说明三通管件冷挤 压成型后在进行最终的正火+回火热处理时,没有 达到热处理工艺标准要求,没有消除冷挤压时形成 的材料冷作硬化。冷挤压三通管件主管与支管过渡 区域是其结构的薄弱环节,也是三通管件质量控制 的重要关键点之一,采用这种工艺生产的三通管件 必须及时消除应力,防止发生脆性开裂[6]。

3 结论及建议

该失效三通管件本身存在铸造夹杂(渣)和制管 产生的折叠缺陷,在冷挤压过程中沿原始缺陷在变 形量最大的过渡径部位已经开裂,因而在后续水压 试验时发生泄漏。

为避免此类问题的发生,建议加强对三通管件 原始管坯的出厂检验,同时严格控制三通管件的成 型工艺。 ​

参考文献:

[1] 王长安,聂向晖,安顺.冷挤压无缝等径三通泄漏原因 探究[J].安全分析,2017,34(3):65-69.

[2] 符建安,陈加钦,曾锐,等.燃气管道风险评价与全面 检验实践[J].压力容器,2014,31(2):62-66.

[3] 淡婷,李晓光,何莎,等.紧固件折叠缺陷的开裂失效 典型案例分析[J].物理测试,2019,37(4):39-44.

[4] 苏厚德,冯玉洁,樊建领.异径挤压三通应力的有限元 分析[J].石油化工高等学校学报,2010,23(3):86- 89.

[5] 梅其志.受内压焊制三通管件强度的研究[J].压力容 器,1992,9(6):20-31.

[6] 刘迎来.管道工程用三通泄漏失效分析及处理对策 [J].金属热处理,2007,32(增刊1):106-110.​

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