壓氣站SCH80S三通管件泄漏失效分析*

齊麗華，王振川，王玉雷，戰(zhàn) 彬，王向陽，張偉衛(wèi)，王 鵬

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部，北京100101）

1 概 述

某壓氣站閥門附近區(qū)域存在天然氣泄漏現(xiàn)象，經(jīng)過對(duì)地面以上設(shè)備進(jìn)行逐項(xiàng)排查檢漏后，初步判斷漏點(diǎn)位于地下，對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行開挖后發(fā)現(xiàn)閥門注脂管底部SCH80S三通本體出現(xiàn)長(zhǎng)約40 mm的裂縫，SCH80S三通規(guī)格為DN25 mm×4.5 mm[1]，圖1為失效三通漏點(diǎn)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(nèi)部膠體的三通。用線切割方法將失效樣品切割，編號(hào)取樣檢驗(yàn)。試樣編碼如圖2（c）所示，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)1#、2#、3#、4#和5#試樣分別進(jìn)行微觀組織觀察和斷口形貌分析。6#和7#試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)和化學(xué)成分分析。通過對(duì)失效試樣的宏觀裂紋觀察可知，三通的外壁有一條長(zhǎng)約70 mm、垂直于主管方向的裂紋。靠近三通主管中間的底部位置為穿透性裂紋，沿上下表面向支管方向直線擴(kuò)展。

圖1 失效三通漏點(diǎn)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(xué)成分分析

從SCH80S三通裂紋取7#試樣，依據(jù)ASTM A403－WP304－S，用ARL 4460直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表1。由表1可見，試樣的化學(xué)成分除Cr含量略低于標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他元素的化學(xué)成分均符合ASTM A403－WP304－S對(duì)304不銹鋼管件的標(biāo)準(zhǔn)要求[2－3]。

表1 SCH80S三通化學(xué)成分分析結(jié)果%

3 金相組織分析

依據(jù)裂紋宏觀形貌，對(duì)其取樣進(jìn)行微觀組織分析。圖3為2#試樣在體式光學(xué)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(nèi)擴(kuò)展，且在壁厚方向形成穿透性裂紋，裂紋擴(kuò)展路徑平直?？拷髁鸭y的組織內(nèi)部存在二次裂紋，二次裂紋均由三通外壁向內(nèi)擴(kuò)展如圖中箭頭1方向所示，擴(kuò)展路徑平直且平行于主裂紋的擴(kuò)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(duì)失效試樣進(jìn)行淺腐蝕，分析裂紋及其近域組織形態(tài)變化和二次裂紋的尖端擴(kuò)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(cè)的微觀組織沿管體厚度方向明顯發(fā)生形變伸長(zhǎng)，主裂紋為穿晶擴(kuò)展，如圖4（a）所示。二次裂紋的擴(kuò)展形式也主要為穿晶擴(kuò)展，僅在局部區(qū)域存在少量的沿晶擴(kuò)展形式，如圖4（b）所示。

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

圖6為裂紋擴(kuò)展區(qū)宏觀形貌和局部放大圖。由圖6（a）可見，在三通的擴(kuò)展區(qū)表面均較為平坦，局部有晶界棱突起。并在晶粒內(nèi)部的斷口形貌上存在大量的形變帶，且同一晶粒內(nèi)部的形變帶方向一致，相鄰晶粒內(nèi)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(kuò)展功低。微裂紋在三通主管腹部的外壁處形成，沿整個(gè)三通厚度和支管方向迅速擴(kuò)展。

圖7為裂紋源區(qū)近域斷口處的灰色附著產(chǎn)物和斷口組織能譜分析圖。由圖7可知，裂紋源區(qū)的灰色物質(zhì)主要成分為O、C、Fe、Ca和Cr，主要為基體組織的氧化產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量比約為17∶7，說明基體組織的原始形態(tài)為奧氏體。

圖8為裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口組織能譜分析圖。由圖8可知，裂紋擴(kuò)展區(qū)的主要成分為Fe、C、Cr和Ni。其中Cr和Ni元素的質(zhì)量比值與裂紋源區(qū)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(qū)宏觀形貌和局部放大圖

圖6 3#試樣斷口擴(kuò)展區(qū)宏觀形貌和局部放大圖

圖7 裂紋源區(qū)近域灰色物質(zhì)形貌及能譜曲線

圖8 裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口組織的能譜分析

為進(jìn)一步分析三通的裂紋成因，對(duì)裂紋兩側(cè)的基體組織進(jìn)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(fā)生明顯的形變，其中白色區(qū)域組織為奧氏體，灰色區(qū)域?yàn)樾巫凂R氏體組織，是基體組織發(fā)生形變后發(fā)生相變，由奧氏體轉(zhuǎn)變成形變馬氏體組織。圖9（b）為圖 9（a）中灰色區(qū)域 A的局部放大圖[8]。由圖9（b）可見，形變馬氏體組織內(nèi)部存在明顯的形變帶，其形變帶在晶粒內(nèi)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(yàn)結(jié)果。結(jié)合微觀組織的形態(tài)特點(diǎn)可知，該處為奧氏體發(fā)生形變后發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫凂R氏體。

表2 6#試樣硬度試驗(yàn)結(jié)果

4 綜合分析

三通的化學(xué)成分基本符合ASTM A403-WP304-S標(biāo)準(zhǔn)對(duì)304S不銹鋼的要求。由失效三通的化學(xué)成分可知，該三通為304S奧氏體不銹鋼材質(zhì)。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(jīng)熱擠壓成型時(shí)，其奧氏體晶粒發(fā)生形變強(qiáng)化，轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，從而導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，消除熱擠壓成型帶來的組織轉(zhuǎn)變成馬氏體脆硬相的影響和三通的殘余應(yīng)力，使基體組織達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

該不銹鋼三通是經(jīng)過熱擠壓成型工藝制作的，但沒有經(jīng)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(qiáng)度很高，但塑性和韌性很低，不符合不銹鋼三通的特點(diǎn)。在外界偶然因素的作用下，由三通外表面起裂并迅速擴(kuò)展形成貫穿性裂紋，從而導(dǎo)致三通的整體失效。

5 結(jié) 論

（1） DN 25 mm×4.5 mm SCH80S三通的化學(xué)成分基本符合ASTM A403-WP304-S標(biāo)準(zhǔn)對(duì)304S不銹鋼的要求。

（2）三通經(jīng)熱擠壓成型后未經(jīng)過高溫固熔處理，導(dǎo)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(kuò)展形成貫穿裂紋，這是導(dǎo)致三通失效的直接原因。

（3）針對(duì)三通的供貨要求，不僅要供貨方提供三通的外表面質(zhì)量和材質(zhì)單證明，同時(shí)應(yīng)對(duì)不銹鋼三通的生產(chǎn)制作工藝提出要求，并需供貨方出具相應(yīng)的證明材料。

[1]張建，唐文獻(xiàn)，吳愛勝，等.DN25薄壁不銹鋼管卡壓機(jī)制研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，27（1）：43-47.

[2]王忠堂，欒瑰馥.不銹鋼管件無模拉伸實(shí)驗(yàn)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2002，9（2）：79-81.

[3]吳振亭，李順江.薄壁不銹鋼管件滾彎成形工藝有限元分析[J].熱加工工藝，2009，38（5）：65-68.

[4]李云，張紅星，朱潮明.低溫儲(chǔ)罐三通切換閥管件失效分析[J].安全分析，2014，30（8）：33-36.

[5]韓難難，劉斌，張濤，等.西部某天然氣田三通管件腐蝕失效分析[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2015，27（6）：600-607.

[6]馬福業(yè)，劉忠利，王劉安，等.核級(jí)304不銹鋼超薄壁三通液壓脹形模擬及實(shí)驗(yàn)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2015，22（5）：76-81.

[7]徐宋娟，劉福順.Ф12 mm不銹鋼異型管件渦流檢測(cè)[J].無損檢測(cè)，2008，30（9）：643-645.

[8]王彥民.不銹鋼管件滾彎成形工藝的有限元模擬[J].河南科學(xué)，2009，27（2）：197-200.

[9]柴保群，張紅梅.制氫裝置中變器不銹鋼管件開裂失效分析及對(duì)策[J].失效分析與壽命評(píng)估，2014，31（1）：59-63.

[10]胡萬明.0Cr18Ni9不銹鋼管件腐蝕開裂原因分析[J].裝置與設(shè)備，2012，40（10）：41-44.

[11]蒲宗汶.不銹鋼管件裂紋的產(chǎn)生原因分析及處理[J].甘肅科技，2012，28（3）：67-68.