20鋼等徑三通失效分析

， ， ， ， ， ，

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司， 陜西 西安 710077；2. 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710077；3. 中石油煤層氣有限責(zé)任公司， 北京 100028)

計(jì)量撬是計(jì)量裝置，它是把與計(jì)量相關(guān)的儀表與流量計(jì)算機(jī)、閥門等相關(guān)裝置設(shè)備集成于一個(gè)鋼制平臺(tái)上，在生產(chǎn)車間里組裝調(diào)試后整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)使用的計(jì)量裝置。三通又稱管件三通是管道改向和流體分流的重要結(jié)構(gòu)件，也被廣泛地用于計(jì)量撬這樣的集成裝置上，其質(zhì)量直接影響管路的可靠性[1-3]。20鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有強(qiáng)度低、塑性韌性優(yōu)良且加工、焊接性能良好的優(yōu)點(diǎn)[4]，是制造三通的常用材料。對(duì)于計(jì)量撬用小口徑無(wú)縫三通主要使用無(wú)縫管采取液壓冷脹成形工藝進(jìn)行生產(chǎn)。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，坯料的質(zhì)量、模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝參數(shù)的控制、成形后的熱處理等諸多因素都會(huì)影響三通的質(zhì)量與后續(xù)使用[3,5]。

2020年5月某油氣生產(chǎn)企業(yè)一口氣井在役計(jì)量撬上的一件三通本體發(fā)生開(kāi)裂，該計(jì)量撬于2010年10月投入使用，服役時(shí)間近10年，三通材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為DN50。計(jì)量撬使用的環(huán)境溫度為-25～38 ℃，內(nèi)部輸送介質(zhì)為濕天然氣，并含有一定量的腐蝕性氣體，介質(zhì)溫度12～18 ℃，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，實(shí)際運(yùn)行壓力約3 MPa。為了杜絕類似事故的再次發(fā)生，本文綜合利用斷口分析、化學(xué)成分分析、微觀組織分析、電化學(xué)分析等技術(shù)手段查明了三通本體開(kāi)裂的原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)方法

采用線切割的方式將斷口整體切下并打開(kāi)，將斷口表面徹底清理后對(duì)斷口進(jìn)行宏觀分析，確定裂紋源；使用VEGA II型掃描電鏡對(duì)三通斷口裂紋源區(qū)微觀形貌進(jìn)行觀察，確定斷裂性質(zhì)。依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》在失效三通本體上切取化學(xué)成分分析試樣。依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》從失效三通裂紋源附近切取試樣，經(jīng)磨削、拋光后，用2%硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，之后對(duì)其微觀組織進(jìn)行觀察。在三通裂紋源附近切取硬度試樣，依據(jù)ASTM E10-18《金屬材料布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法》，使用BH3000布氏硬度計(jì)對(duì)其橫截面硬度進(jìn)行檢測(cè)。

在失效三通上切取φ11.29 mm×3 mm電化學(xué)試樣，用于測(cè)試三通本體在現(xiàn)場(chǎng)取回的水樣中的極化曲線與電化學(xué)阻抗譜，現(xiàn)場(chǎng)取回水樣的離子組成如表1所示，電化學(xué)測(cè)試所使用的介質(zhì)溶液為依照表1中的離子組成配制的模擬溶液。為了對(duì)比研究，其中一件電化學(xué)測(cè)試試樣為從失效三通上切取后經(jīng)900 ℃正火處理的試樣。直接切取的試樣與正火后的試樣經(jīng)不同標(biāo)號(hào)的砂紙打磨后，并拋光成鏡面，之后用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗，烘干備用。電化學(xué)測(cè)試在Autolab PGSTAT128 N電化學(xué)工作站進(jìn)行，工作電極為待測(cè)試樣，對(duì)電極為鉑片，Ag/AgCl電極作為參比電極。

表1 現(xiàn)場(chǎng)取回水樣成分分析結(jié)果(mg/L)

在進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)之前，將試樣浸入試驗(yàn)介質(zhì)中1 h，以確保開(kāi)路電壓維持在穩(wěn)定狀態(tài)。電化學(xué)阻抗譜的頻率測(cè)量范圍為 0.01～100 000 Hz，振幅為5 mV。阻抗譜數(shù)據(jù)通過(guò)ZsimpWin軟件進(jìn)行擬合。極化曲線測(cè)量范圍為-1.15～-0.3 V，掃描速率為0.001 V/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 斷口分析

發(fā)生斷裂失效的三通，其斷口位于三通主管和支管交匯處并貫穿整個(gè)支管，如圖1所示。觀察發(fā)現(xiàn)斷口處無(wú)明顯塑性變形且斷口呈臺(tái)階狀，脆性斷裂特征明顯，見(jiàn)圖2。觀察斷口表面發(fā)現(xiàn)人字紋指向管體內(nèi)壁，見(jiàn)圖2(a)。圖2(b)中紅色圓圈所示即裂紋源所在的位置。將切分后的三通本體簡(jiǎn)單拼接，圖1中白色圓圈標(biāo)記處即為腐蝕坑所在位置。根據(jù)斷口形貌特征綜合分析，可以判斷裂紋起源于內(nèi)壁腐蝕坑底部，且對(duì)應(yīng)于外表面裂紋源位于三通本體主管與支管交匯處。

圖1 開(kāi)裂三通宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked tee

圖2 開(kāi)裂三通斷口宏觀形貌(a)俯視圖；(b)正視圖Fig.2 Macro morphologies of fracture of the cracked tee(a) vertical view; (b) front view

為了進(jìn)一步確認(rèn)斷口特征，使用VEGAII型掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，斷口呈現(xiàn)解理、準(zhǔn)解理斷裂特征，如圖3所示，從圖3可以觀察到解理臺(tái)階、河流花樣等典型解理斷口特征，此外，斷口上還能觀察到二次裂紋。由掃描電鏡照片可以更加直觀地觀察到三通起裂位置位于腐蝕坑底部，且腐蝕坑表面覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物膜，如圖4所示。

圖3 開(kāi)裂三通斷口微觀形貌 Fig.3 Micro morphologies of fracture of the cracked tee

圖4 三通裂紋源區(qū)形貌(a)腐蝕坑底部起裂；(b)腐蝕坑表面的腐蝕產(chǎn)物膜Fig.4 Morphologies of crack source area of the tee(a) cracking at the bottom of corrosion pit; (b) corrosion scale on the surface of corrosion pit

2.2 化學(xué)成分

依據(jù)GB/T 4336—2016利用ARL 4460直讀光譜儀對(duì)失效三通本體進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。三通化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果滿足GB/T 12459—2005《鋼制對(duì)焊無(wú)縫管件》對(duì)20鋼的要求。

表2 失效三通的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 金相分析

裂紋源附近區(qū)域，即主管與支管交匯處管體的金相分析結(jié)果表明，失效三通的顯微組織為鐵素體(F)+珠光體(P)，且存在明顯的冷變形組織特征，原本應(yīng)該呈現(xiàn)等軸晶狀態(tài)的鐵素體與珠光體晶粒被拉長(zhǎng)，晶粒扁平化，如圖5所示。正常20鋼正火態(tài)的顯微組織應(yīng)為等軸狀的鐵素體與珠光體，如圖6所示。

圖5 失效三通裂紋源區(qū)顯微組織Fig.5 Microstructure of crack source area of the failed tee

圖6 正常的正火態(tài)20鋼顯微組織Fig.6 Normal microstructure of the normalized 20 steel

2.4 硬度

失效三通主管與支管交匯處附近本體橫截面硬度結(jié)果如表3所示。失效三通硬度測(cè)試值的最低值為228 HBW，顯著高于GB/T 12459—2005對(duì)20鋼三通的硬度要求。

表3 失效三通本體布氏硬度檢測(cè)結(jié)果

2.5 電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

直接從失效三通上切取的原始態(tài)電化學(xué)試樣以及經(jīng)正火處理后的電化學(xué)試樣在試驗(yàn)介質(zhì)中的極化曲線如圖7所示。陽(yáng)極極化曲線表明，兩種狀態(tài)的試樣在腐蝕介質(zhì)中均未發(fā)生鈍化，陽(yáng)極反應(yīng)為鋼的溶解反應(yīng)，主要由電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)步驟控制整個(gè)反應(yīng)過(guò)程。相比正火處理后的試樣，直接從三通上切取的電化學(xué)試樣的陰極極化曲線向右移動(dòng)。通過(guò)Tafel斜率外推法確定相應(yīng)的極化曲線參數(shù)，即腐蝕電位Ecorr與自腐蝕電流密度icorr。原始態(tài)與正火態(tài)20鋼的Ecorr分別為-760.6 mV 和-752.8 mV；原始態(tài)與正火態(tài)20鋼的icorr分別為10.3 μA·cm-2和7.2 μA·cm-2。相比于正火態(tài)，直接從失效三通本體上切取的試樣腐蝕電位更小，自腐蝕電流密度更大。也是說(shuō)，相比正火態(tài)20鋼，失效三通的耐蝕性因冷變形而下降。與極化曲線相對(duì)應(yīng)，兩種狀態(tài)下20鋼阻抗譜測(cè)定結(jié)果也表明冷變形增大了20鋼的腐蝕反應(yīng)速率，降低了鋼的抗腐蝕能力。原始態(tài)與正火態(tài)20鋼的Nyquist曲線具有相似的特征，均表現(xiàn)為第一象限的單一容抗弧，且原始態(tài)20鋼的容抗弧半徑明顯小于正火態(tài)20鋼，如圖8所示。經(jīng)分析，原始態(tài)與正火態(tài)20鋼阻抗譜中電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct分別為1142 Ω·cm2和1526 Ω·cm2。腐蝕電位、自腐蝕電流密度、電荷轉(zhuǎn)移電阻都是用來(lái)表征金屬材料在某一腐蝕工況條件下的耐蝕性參數(shù)，材料的腐蝕電位與電荷轉(zhuǎn)移電阻越大，自腐蝕電流密度越小，表明金屬材料的耐蝕性越好。

圖7 原始態(tài)與正火態(tài)失效三通在腐蝕模擬液中的極化曲線Fig.7 Polarization curves in the corrosion simulation solution of the original and normalized failed tee

圖8 失效三通與正火態(tài)20鋼在腐蝕模擬液中的阻抗譜Fig.8 Impedance spectra in the corrosion simulation solution of the failed tee and normalized 20 steel

2.6 失效原因分析

對(duì)失效三通進(jìn)行宏觀斷口分析、微觀斷口分析、化學(xué)成分分析、顯微組織分析和布氏硬度檢測(cè)，結(jié)果表明失效三通為脆性斷裂失效，裂紋起源于三通本體主管與支管交匯處的內(nèi)壁腐蝕坑底部，如圖2和圖3所示。成形后的三通沒(méi)有進(jìn)行合理的熱處理恢復(fù)材料的塑韌性，內(nèi)壁的局部腐蝕造成三通有效承載能力的降低和應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致三通脆性斷裂。

通過(guò)調(diào)研可知，對(duì)于DN300以下的無(wú)縫三通，一般采用液壓冷脹成形工藝制造。圖5中的三通本體顯微組織內(nèi)仍保留著大量冷變形組織特征，即鐵素體F和珠光體P晶粒被拉長(zhǎng)。三通液壓冷脹成形工藝采用無(wú)縫鋼管為坯料(稱之為“主管”)，三通上的支管是通過(guò)附加在主管兩端和內(nèi)壁的高壓作用，使主管上的金屬在模具的約束下向支管模內(nèi)流動(dòng)而形成的。三通冷脹成形工藝的實(shí)質(zhì)是對(duì)金屬材料進(jìn)行塑性加工的過(guò)程。塑性變形導(dǎo)致的加工硬化，使材料強(qiáng)度、硬度升高，韌性下降，這一點(diǎn)在對(duì)三通本體進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)時(shí)就得以體現(xiàn)出來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)要求20鋼三通的布氏硬度最大值不應(yīng)高于156 HBW，而檢測(cè)結(jié)果的最小值為228 HBW。根據(jù)斷裂力學(xué)相關(guān)理論可知，三通本體的韌性降低將導(dǎo)致三通本體缺陷容限的降低，三通內(nèi)壁由于局部腐蝕導(dǎo)致管體有效承載壁厚的減小，并導(dǎo)致應(yīng)力集中，易引發(fā)裂紋的萌生。因此GB/T 12459—2005規(guī)定對(duì)于成形后的20鋼三通，應(yīng)采用正火、退火等熱處理使其塑韌性得以恢復(fù)。經(jīng)正火或退火處理后的三通，其顯微組織內(nèi)被拉長(zhǎng)的晶粒將被等軸晶所代替，硬度將顯著降低，塑韌性得到恢復(fù)。此次失效的三通微觀組織內(nèi)存在大量冷變形晶粒，且硬度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，表明失效三通成形后沒(méi)有進(jìn)行合適的熱處理。何朋非等[6]在進(jìn)行液壓冷脹成形SUS304不銹鋼三通失效分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，成形后的三通未進(jìn)行固溶處理以恢復(fù)三通的塑韌性，故在其顯微組織內(nèi)觀察到大量應(yīng)變誘發(fā)馬氏體組織，使材料發(fā)生脆化導(dǎo)致三通在主管和支管的交匯處脆性開(kāi)裂。另外，電化學(xué)腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果也表明，冷變形會(huì)導(dǎo)致20鋼耐蝕性明顯下降，冷變形后的20鋼通過(guò)正火，其耐蝕性會(huì)得到改善。相似的研究結(jié)果在對(duì)304不銹鋼腐蝕性能研究的過(guò)程中曾被報(bào)道，有研究認(rèn)為，變形導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和位錯(cuò)密度增加對(duì)304不銹鋼的腐蝕具有促進(jìn)作用，并且促進(jìn)的程度與變形量和位錯(cuò)密度正相關(guān)[7]。由液壓冷脹成形工藝特點(diǎn)及相關(guān)的研究報(bào)道可知，三通支管與主管交匯處的變形量程度最為劇烈，因此該處材料的電化學(xué)腐蝕性能下降也應(yīng)最為顯著，同時(shí)該處還易出現(xiàn)塑性成形缺陷。

綜上所述，失效三通成形后沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)臒崽幚恚瑢?dǎo)致其塑韌性大幅降低，硬度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求值的上限，從而導(dǎo)致三通本體缺陷容限的降低。在運(yùn)行過(guò)程中，由于三通內(nèi)壁發(fā)生局部腐蝕，使得三通有限承載壁厚減少，缺陷尺寸增加(局部腐蝕可視為缺陷)，當(dāng)腐蝕坑深度超過(guò)三通的缺陷容限時(shí)，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展，三通發(fā)生脆性斷裂失效。

3 結(jié)論與建議

1) 失效20鋼三通的化學(xué)成分符合GB/T 12459—2005要求，但硬度測(cè)試結(jié)果則顯著高于該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2) 液壓冷脹成形后的三通未采取正確的熱處理，其塑韌性大幅降低導(dǎo)致三通本體缺陷容限的降低，是三通本體脆性斷裂的直接原因。

3) 相比于正火態(tài)，液壓冷脹成形后的三通在現(xiàn)場(chǎng)水樣的模擬液中的自腐蝕電位減小，自腐蝕電流密度增大，阻抗譜中容抗弧半徑減小，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct減小，鋼的耐蝕性下降。

4) 建議加強(qiáng)對(duì)三通的質(zhì)量監(jiān)督和出廠檢驗(yàn)。