天然氣管路導氣球閥失效分析

付安慶，任越飛，來維亞，徐秀清

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天然氣管路導氣球閥失效分析

付安慶1，任越飛2，來維亞1，徐秀清1

（1.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安 710077； 2.長慶油田分公司第三采氣廠，西安 710018）

分析西部某氣田天然氣管路球閥發(fā)生開裂泄漏事故的原因。對球閥的化學成分、斷口、金相組織等進行檢測分析。球閥裂紋起源于閥體內(nèi)表面，裂紋沿晶界擴展，晶界未發(fā)現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，不存在晶間腐蝕；閥體材料存在沿晶鑄造缺陷和枝晶露頭，水淬激冷過程中形成沿晶微裂紋，承壓狀態(tài)下裂紋沿晶擴展；球閥螺紋根部最薄且應力集中，裂紋由內(nèi)向外擴展，最終沿螺紋根部環(huán)向斷裂，斷口形貌為沿晶斷裂。導氣球閥失效原因是螺紋根部存在應力集中和鑄造閥體存在缺陷。在兩者共同作用下，導致閥體承壓狀態(tài)下沿晶脆性斷裂。

天然氣；球閥；開裂；失效分析

某采氣廠送檢事故管路開裂球閥1件，規(guī)格為DN15-6.4 MPa，材質(zhì)為316不銹鋼。失效球閥是采氣廠天然氣管道不銹鋼導氣閥，工作溫度是20~50 ℃，工作壓力為5.7 MPa。中國石油天然氣集團公司管材研究所對送檢斷裂球閥進行了失效分析。圖1—圖4為失效球閥閥體的宏觀照片，其中圖1—圖3顯示球閥閥體斷裂面沿環(huán)向分布，圖4顯示閥體鼓包并有徑向裂紋分布。

圖1 閥體宏觀照片

圖2 閥體環(huán)向斷裂

圖3 閥體環(huán)向斷口

圖4 閥體鼓包及微裂紋

1 理化檢驗與結果

1.1 化學成分分析

對失效球閥閥體材質(zhì)進行了化學分析，取樣位置為非螺紋連接端面，分析結果見表1。

表1 球閥材質(zhì)化學成分分析結果 %

由表1檢測結果可以看出：失效球閥中鎳的質(zhì)量分數(shù)不到8.00%，鉻不到18.00%，鉬不到2.00%，但穩(wěn)定奧氏體相元素Mn含量較高，失效球閥選材并非316不銹鋼。經(jīng)顯微硬度檢測，閥體材料與316不銹鋼材料抗拉強度相近。

1.2 電鏡與能譜分析

對失效球閥斷口進行掃描電鏡觀察，其斷口形貌為沿晶斷裂，裂紋從閥體內(nèi)表面起裂，并從里向外擴展，沿內(nèi)螺紋根部斷裂。斷裂面呈多元臺階，自由表面較多，從斷面可見材料內(nèi)部沿晶裂紋和枝晶露頭現(xiàn)象，閥體內(nèi)外表面微裂紋沿晶網(wǎng)狀分布，內(nèi)表面微裂紋數(shù)量多于外邊面，如圖5—13所示。在失效球閥斷口附近區(qū)域觀察到縱向裂紋與沿晶裂紋，在非失效區(qū)內(nèi)壁通過掃描電鏡觀察到細微沿晶裂紋。表2與表3分別是圖7與圖8斷口元素能譜分析結果。能譜分析結果表明，斷口鉻元素、錳元素含量高，而鎳元素含量低，其結果與化學分析結果元素比例相吻合。

圖5 斷口低倍形貌

圖6 沿晶斷口形貌

圖7 含缺陷斷口形貌

圖8 含枝晶斷口形貌

1.3 金相分析

依據(jù)GB/T 13298—1991，利用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對失效球閥不同部位試樣進行金相分析。失效球閥內(nèi)表面有裂紋，內(nèi)表面有明顯凹陷，該區(qū)較光滑，沒有加工痕跡。圖14為凹陷處樣品金相分析結果，樣品內(nèi)外表面均有裂紋，裂紋沿晶擴展，有的裂紋幾乎穿透閥體，且裂紋開口相對較大，裂紋特征如圖15和圖16所示。失效區(qū)附近樣品與失效區(qū)樣品相比，失效區(qū)附近內(nèi)外表面也均有裂紋，內(nèi)表面裂紋數(shù)量多于外表面，裂紋橫向與縱向基本特征相同，均沿晶擴展，裂紋特征如圖17所示。非失效區(qū)樣品與失效區(qū)樣品比較，非失效區(qū)裂紋數(shù)量相對較少，開口較小，但裂紋基本特征相同，即內(nèi)外表面均有裂紋，但內(nèi)表面裂紋數(shù)量多于外表面，裂紋沿晶擴展，裂紋特征如圖18所示。球閥所有樣品，金相分析發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)有鑄造疏松孔洞，如圖19所示。經(jīng)對失效球閥金相分析，其組織為奧氏體+鐵素體，并非單一奧氏體組織，如圖20所示。

圖9 斷口附近內(nèi)壁縱向裂紋

圖10 斷口附近內(nèi)壁沿晶裂紋

圖11 閥體外壁鼓包區(qū)低倍形貌

圖12 閥體外壁非失效區(qū)低倍形貌

表2 斷口能譜分析結果Ⅰ

表3 斷口能譜分析結果Ⅱ

圖14 內(nèi)表面裂紋和凹陷

圖15 樣品內(nèi)外表面裂紋

圖16 失效區(qū)內(nèi)表面裂紋

圖17 失效區(qū)附近內(nèi)表面裂紋

圖18 非失效區(qū)內(nèi)表面裂紋

圖19 球閥材料內(nèi)疏松孔洞

圖20 奧氏體+鐵素體組織

1.4 裂紋線掃描分析

為了檢驗失效球閥是否因沿晶貧鉻而發(fā)生了晶間腐蝕，對失效閥體內(nèi)表面裂紋進行了線掃描分析，裂紋附近主要元素能譜分析如圖21所示。從裂紋線掃描區(qū)域1和區(qū)域2可看出，在晶界邊沿并未發(fā)現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，裂紋內(nèi)部也未發(fā)現(xiàn)鉻元素富集，所以微裂紋不是由于晶間腐蝕引起的。至于區(qū)域2氧元素富集是由于該裂紋較寬，氧元素易擴散形成金屬氧化物所致。

圖21 裂紋線掃描區(qū)域

2 分析與討論[1-11]

經(jīng)對送檢樣品材質(zhì)進行分析，失效球閥鎳的質(zhì)量分數(shù)不到8.00%，鉻不到18.00%，鉬不到2.00%，但穩(wěn)定奧氏體相元素Mn含量較高，失效球閥選材并非316不銹鋼。經(jīng)顯微硬度檢測，閥體材料與316不銹鋼材料抗拉強度相近。

掃描電鏡觀察表明，裂紋從閥體內(nèi)表面起裂并從里向外擴展，沿內(nèi)螺紋根部環(huán)向斷裂，其斷口形貌為沿晶斷裂。斷裂面呈多元臺階，自由表面較多，斷面可見材料內(nèi)部沿晶裂紋和枝晶露頭，閥體失效區(qū)內(nèi)外表面微裂紋沿晶網(wǎng)狀分布，內(nèi)表面微裂紋數(shù)量多于外邊面。非失效區(qū)內(nèi)壁掃描電鏡觀察到沿晶裂紋，其基本特征與斷口附近裂紋特征相同。

金相分析表明，樣品組織為奧氏體+鐵素體，失效區(qū)與非失效區(qū)內(nèi)外表面均有裂紋，且內(nèi)表面裂紋數(shù)量多于外表面。裂紋橫向與縱向基本特征相同，均沿晶擴展，區(qū)別在于非失效區(qū)裂紋數(shù)量相對較少，開口較小，但裂紋基本特征相同。通過對失效球閥進行金相分析發(fā)現(xiàn)，材料內(nèi)均有鑄造疏松孔洞沿晶分布。對失效閥體內(nèi)表面裂紋進行了線掃描分析，從裂紋線掃描區(qū)域1和區(qū)域2可看出，晶界邊沿并未發(fā)現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，裂紋內(nèi)部也未發(fā)現(xiàn)鉻元素富集。經(jīng)與采氣廠現(xiàn)場技術人員交流，與失效球閥接觸的介質(zhì)屬于脫水天然氣，雖含有硫化氫氣體，但屬于干硫化氫，也不會誘發(fā)晶間腐蝕。因此，微裂紋不是由于晶間腐蝕引起的。

對于奧氏體閥門，因鑄造過程冷卻慢，在敏化溫度范圍停留時間較長，不進行熱處理易誘發(fā)晶間腐蝕，一般要進行固溶處理，水淬激冷得到粗大奧氏體組織。固溶處理時間合理枝晶偏析也可完全消除，但固溶處理不能消除鑄造過程形成的沿晶缺陷。掃描電鏡觀察到斷口存在枝晶露頭，說明固溶處理沒有完全消除枝晶偏析。在水淬激冷過程中，由于存在沿晶缺陷和枝晶露頭，閥體材料沿晶產(chǎn)生微裂紋。

綜上所述，失效球閥閥體材料存在沿晶鑄造缺陷和枝晶露頭，在水淬激冷過程中形成沿晶微裂紋，在承壓狀態(tài)下微裂紋沿晶界擴展。因內(nèi)螺紋根部應力集中，裂紋由內(nèi)向外擴展，最終沿螺紋根部環(huán)向斷裂。

3 結論

通過上述分析可得到以下結論。

1）球閥選材并非316不銹鋼，但閥體材料與316不銹鋼材料抗拉強度相近。

2）閥體開裂處金屬晶界未發(fā)現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，閥體材料不存在晶間腐蝕。

3）球閥閥體材料存在沿晶鑄造缺陷和枝晶，水淬激冷過程中形成沿晶微裂紋，承壓狀態(tài)下微裂紋沿晶擴展。

4）因內(nèi)螺紋根部存在應力集中，裂紋擴展并最終沿螺紋根部環(huán)向斷裂，斷口形貌屬于沿晶脆性斷裂。

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Failure Analysis on Deflated Ball Valve of Natural Gas Pipeline

FU An-qing, REN Yue-fei, LAI Wei-ya,XU Xiu-qing

(1. State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials, Xi'an 710077, China; 2. The Third Gas Recovery Plant of Chang-qing Oilfield Branch, Xi'an 710018, China)

To analyze causes of the leakage for rupture on ball valve of gas pipeline at a western natural gas field.Chemical composition, fracture and microstructure of the ball valve were analyzed.The ball valve cracks originated from the body surface. The cracks extended along the grain boundary. Poor chromium phenomena were not detected in grain boundary and there was no intergranular corrosion. Dendrite and casting defects along grain boundary were found in the material. Micro-cracks formed along grain boundary in the process of water quenching. Cracks propagation was along the grain boundary under pressure. Thread root was the thinnest part and could produce stress concentration. Cracks extended outward and eventually ruptured along the thread root. The fracture morphology was the intergranular brittle fracture.The reasons for ball valve failure are the stress concentration in thread root and defects in casting body. Under the effect of both, the intergranular brittle fracture occurs to the valve body under pressure condition.

natural gas; ball valve; rupture; failure analysis

10.7643/ issn.1672-9242.2017.12.002

TJ07

A

1672-9242(2017)12-0008-12

2017-08-17；

2017-09-28

中石油科學研究與技術研發(fā)項目(2017D-2307)；國家青年科學基金（21506256）

付安慶（1981—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為腐蝕與防護。