在役三通力學(xué)性能無損檢測與評價方法研究

賈海東 徐烈 曹俊 王昕 祖越 康紅勃 馬衛(wèi)鋒

1國家管網(wǎng)西部管道公司

2中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司

3國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司

4西安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)環(huán)境保護(hù)局

隨著國家油氣管道建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，石油天然氣用管件也趨于向高強(qiáng)度和高性能的方向發(fā)展。以大口徑三通為例，主要通過熱擠壓成型，需多次加熱和冷卻，最后進(jìn)行淬火+回火的熱處理[1]。管件的制造工藝復(fù)雜，惡劣的服役環(huán)境會引起天然氣站場管件失效甚至發(fā)生事故[2]。現(xiàn)行管件標(biāo)準(zhǔn)僅對管件成形的制造工藝給出了較粗的規(guī)定，主要是不允許有害缺陷的出現(xiàn)，力學(xué)性能的規(guī)定僅針對抽樣破壞性檢測結(jié)果，對管件的制造工藝未做規(guī)范化和程序化的規(guī)定。對管件的熱處理，GB/T 12459—2005《鋼制對焊無縫管件》標(biāo)準(zhǔn)只要求CrMo 鋼和不銹鋼熱加工成形及碳鋼最終成形溫度＜750 ℃時需要進(jìn)行管件熱處理；而對其他鋼材和制造工藝（包括成形溫度）加工的管件均不要求熱處理，只要求冷加工成形?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，難以保證管件的性能和質(zhì)量以及消除管件制造中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，也難以保證管件制造工藝滿足管件的性能要求。

管道公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對三通性能的要求為：單根試制、小批量生產(chǎn)過程中，應(yīng)各抽1 件管件產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)性能和金相檢驗(yàn)；正式生產(chǎn)過程中，同一熔煉爐次、同一熱處理工藝、毛坯料的名義壁厚差≤6 mm 的同類管件，≤50 件為一批，每批管件應(yīng)抽1 件進(jìn)行力學(xué)性能和金相檢驗(yàn)。根據(jù)以上檢驗(yàn)規(guī)定，同一熔煉爐次、同一熱處理工藝的其他49 件三通力學(xué)性能是被間接評估為合格的，而非直接檢驗(yàn)合格的，因此三通的力學(xué)性能合格性同樣也是難以嚴(yán)格保證。如何對三通力學(xué)性能進(jìn)行無損檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行合格性評價具有重大工程意義。

大量文獻(xiàn)表明，材料強(qiáng)度和硬度具有規(guī)律性關(guān)系[3-5]。在很大程度上，強(qiáng)度決定著工程材料的使用價值。由于硬度檢測方法簡單、快速且又無損，有些學(xué)者[6-8]利用硬度—強(qiáng)度間的換算關(guān)系來預(yù)測工程材料的強(qiáng)度性能，但這種對應(yīng)關(guān)系對不同的鋼廠其結(jié)果是不同的，因而，探究工程用同一批次材料的硬度和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。便攜式里氏硬度計(jì)在模具、鍛壓和容器制造等行業(yè)應(yīng)用普遍，特別是在壓力容器等壓力承壓設(shè)備現(xiàn)場檢驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用[9]。由于使用環(huán)境復(fù)雜，受溫度、壓力和介質(zhì)等因素的影響，承壓特種設(shè)備材料的力學(xué)性能、安全狀態(tài)和使用壽命均會隨著時間的增加而變化。為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，應(yīng)做好設(shè)備制造、安裝和運(yùn)行等各個環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)工作。顯微組織是力學(xué)性能的評價依據(jù)，通過金相檢驗(yàn)來分析材料顯微組織是評價設(shè)備、配件安全狀況的重要方法[10]。對于不允許破壞性取樣的顯微組織檢驗(yàn)，只能通過現(xiàn)場金相檢驗(yàn)的方法，這種方法廣泛用于特種設(shè)備行業(yè)[11-13]。在此，提出了一種對三通性能無損檢測及評價的方法，規(guī)定了三通性能無損檢測的位置、程序與具體方法，并通過實(shí)物破壞性試驗(yàn)進(jìn)行評價結(jié)果的驗(yàn)證。

1 三通異常材質(zhì)問題

2019年6～7月，某管道公司天然氣站場發(fā)現(xiàn)3處三通主管與直管段連接處焊縫存在裂紋缺陷。在進(jìn)行失效分析過程中，對送檢的某管件公司制造的3 件X70 三通本體開展力學(xué)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3 件三通本體（支管、肩部、主管和焊縫）抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不滿足要求，屈服強(qiáng)度為240～368 MPa，抗拉強(qiáng)度為450～565 MPa（圖1）。兩倍復(fù)取結(jié)果也均不滿足要求，屈服強(qiáng)度為237～360 MPa，抗拉強(qiáng)度為444～553 MPa（圖2）。通過第三方調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三通本體強(qiáng)度低的主要原因?yàn)槿ㄖ圃爝^程中熱處理不合格。由于熱處理過程需將三通進(jìn)行淬火處理，淬火所用介質(zhì)溫度高或三通冷卻速率低，從而造成奧氏體未發(fā)生一定量的貝氏體轉(zhuǎn)變，最終形成以鐵素體為主、貝氏體為輔的組織狀態(tài)，導(dǎo)致三通本體強(qiáng)度低。從調(diào)查結(jié)果可知，雖然三通的熱處理過程不合格，但是在50 件一批抽查檢驗(yàn)中的三通力學(xué)性能卻是合格的，這也說明了同一批次三通性能并非完全一致。

圖1 三件三通本體屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度結(jié)果Fig.1 Results of yield strength and tensile strength of three tee bodies

圖2 三件三通本體屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度復(fù)取結(jié)果Fig.2 Retrieval results of yield strength and tensile strength of three tee bodies

2 三通材質(zhì)性能無損檢測

2.1 檢測程序

根據(jù)低強(qiáng)度三通現(xiàn)場金相和現(xiàn)場硬度檢測的結(jié)果，對三通材質(zhì)性能進(jìn)行評價，評價程序如圖3所示。

圖3 三通力學(xué)性能檢測評價程序Fig.3 Test and evaluation procedure for mechanical properties of tee

2.2 檢測區(qū)域

三通材質(zhì)性能無損檢測的位置示意圖如圖4 所示。其中，檢測區(qū)域1 和2 位于三通主管端部3 點(diǎn)鐘位置，檢測區(qū)域3 位于三通支管處，檢測區(qū)域4位于三通主管底部中心環(huán)向5 點(diǎn)鐘處，檢測區(qū)域5位于三通腹部區(qū)域。

圖4 三通現(xiàn)場金相和硬度檢測位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of tee on-site metallographic and hardness testing locations

檢測次數(shù)：現(xiàn)場金相1次；現(xiàn)場硬度3次。

2.3 檢測方法

三通材質(zhì)性能無損檢測的方法為現(xiàn)場金相和現(xiàn)場硬度檢測。

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行現(xiàn)場金相檢驗(yàn)，可以無損地獲取部件的表面顯微組織狀態(tài)信息。金相檢測步驟如圖5 所示，采用的設(shè)備為現(xiàn)場金相顯微鏡。

圖5 現(xiàn)場金相檢測步驟Fig.5 On-site metallographic testing procedure

根據(jù)GB/T 17394.1—2014《金屬材料里氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》，對金相檢測完成后的被檢測表面進(jìn)行里氏硬度檢測，再根據(jù)GB/T 17394.4—2014《金屬材料里氏硬度試驗(yàn)第4部分：硬度值換算表》，將里氏硬度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為維氏硬度數(shù)據(jù)。檢測步驟如下：①向下推動加載套或用其他方式鎖住沖擊體；②將沖擊裝置支撐環(huán)緊壓在試樣表面上，沖擊方向與試驗(yàn)面垂直；③平穩(wěn)地按動沖擊裝置釋放鈕；④讀取硬度示值；⑤試樣的檢測區(qū)域一般進(jìn)行五次試驗(yàn)，數(shù)據(jù)分散≤平均值的±15HL。同時應(yīng)注意，里氏硬度計(jì)不應(yīng)在強(qiáng)烈振動、嚴(yán)重粉塵、腐蝕性氣體或強(qiáng)磁場的場合使用。

2.4 維氏硬度與強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)歷年國內(nèi)各大型三通廠家的X70三通質(zhì)檢數(shù)據(jù)，結(jié)合質(zhì)檢的三通支管、主管合格與不合格的屈服強(qiáng)度和硬度數(shù)據(jù)，建立了X70三通支管、主管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度之間的規(guī)律關(guān)系（圖6、圖7）。

圖6 X70三通支管強(qiáng)度和硬度規(guī)律關(guān)系Fig.6 Law relationship between strength and hardness of X70 tee branch pipe

圖7 X70三通主管強(qiáng)度和硬度規(guī)律關(guān)系Fig.7 Law relationship between strength and hardness of X70 tee main pipe

三通支管屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和維氏硬度規(guī)律線性表達(dá)式如公式（1）、公式（2）所示，三通主管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和維氏硬度規(guī)律線性表達(dá)如公式（3）、公式（4）所示。

其中σs為屈服強(qiáng)度，MPa；σb為抗拉強(qiáng)度，MPa；HV為維氏硬度。

2.5 評價方法

根據(jù)管道公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DEC-OGP-S-NE-006—2020-1《油氣管道工程用DN400 及以上管件技術(shù)規(guī)格書》，關(guān)于現(xiàn)有的X70 三通金相和硬度在標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定見表1。然而，從目前的標(biāo)準(zhǔn)中可知，金相和硬度的要求并不全面，如金相并未規(guī)定鋼級所對應(yīng)的組織，硬度的下限并未規(guī)定。針對X70 三通的強(qiáng)度合格性，提出了表2 所示的檢測方法、評價指標(biāo)和評價準(zhǔn)則。

表1 DEC-OGP-S-NE-006—2020-1中關(guān)于三通金相和硬度的規(guī)定Tab.1 Provisions on metallography and hardness of tee in DEC-OGP-S-NE-006-2020-1

表2 三通低強(qiáng)度評價指標(biāo)及準(zhǔn)則Tab.2 Low-strength evaluation index and criteria of tee

現(xiàn)場硬度評價指標(biāo)是通過理論設(shè)計(jì)及有限元模擬分析確定，具體方法如圖8所示。

圖8 確定硬度評價指標(biāo)的思路Fig.8 Idea for determining hardness evaluation index

（1）設(shè)定不同梯度的硬度。根據(jù)三通的強(qiáng)度等級估算初始硬度范圍，設(shè)置跨度較大的硬度梯度范圍，如針對X70三通，設(shè)置100～200(HV10)的硬度范圍，間隔20(HV10)的硬度梯度。

（2）通過硬度與屈服強(qiáng)度關(guān)系模型確定對應(yīng)的屈服強(qiáng)度。通過已建立的硬度與強(qiáng)度模型，確定不同硬度梯度范圍經(jīng)公式（1）、公式（3）計(jì)算后的對應(yīng)屈服強(qiáng)度。

（3）建立不同屈服強(qiáng)度對應(yīng)材料模型的有限元三通模型。在不考慮管系和管土作用的情況下，建立純內(nèi)壓加載的有限元三通模型，將步驟（2）計(jì)算的不同屈服強(qiáng)度在有限元三通模型中設(shè)置不同的的材料模型，即改變彈塑性本構(gòu)模型的屈服強(qiáng)度。

（4）通過純內(nèi)壓加載進(jìn)行有限元模擬分析。分別針對步驟（3）中建立的不同屈服強(qiáng)度對應(yīng)的三通有限元模型，進(jìn)行純內(nèi)壓加載（設(shè)置一個最大內(nèi)壓，如100 MPa），直至計(jì)算完畢。

（5）根據(jù)全截面屈服的失效準(zhǔn)則確定對應(yīng)的極限內(nèi)壓。根據(jù)全截面屈服的失效準(zhǔn)則，在整個三通加載后的應(yīng)力云圖中，設(shè)置屈服強(qiáng)度為極限值，觀察三通等效應(yīng)力云圖中超過屈服強(qiáng)度的灰色區(qū)域，如有全截面屈服區(qū)域時，則對應(yīng)的內(nèi)壓為極限內(nèi)壓。

（6）確定含安全系數(shù)的安全服役壓力24 MPa對應(yīng)的屈服強(qiáng)度。根據(jù)步驟（5）計(jì)算的不同屈服強(qiáng)度對應(yīng)的極限內(nèi)壓，與24 MPa 進(jìn)行對比，尋找差別最小的極限內(nèi)壓；如差別較大，再細(xì)分硬度梯度，重新進(jìn)行步驟（1）～（5），直至確定極限內(nèi)壓為24 MPa對應(yīng)的屈服強(qiáng)度。

（7）根據(jù)硬度與強(qiáng)度關(guān)系確定對應(yīng)的硬度評價指標(biāo)。將步驟（6）確定的屈服強(qiáng)度邊界代入到步驟（2）中，確定對應(yīng)的硬度邊界，則此時的硬度邊界為硬度評價指標(biāo)。

3 檢測評價及驗(yàn)證試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015、GB/T 17394（1，4）—2014和GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，使用PTI-5500 便攜式金相顯微系統(tǒng)與TH160 里氏硬度計(jì)對某管道公司儲備庫1 件DN1 000×450 mm 三通（圖9）進(jìn)行金相和硬度檢測分析，檢測位置如圖4 所示。然后，通過現(xiàn)場金相和硬度檢測結(jié)果分析，進(jìn)行性能合格性評價。最后，在檢測區(qū)域取拉伸試樣、金相試樣和硬度試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料、拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 13298—2015和GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行破壞性拉伸試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，對現(xiàn)場金相和硬度檢測評價結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖9 DN1 000×450 mm三通Fig.9 DN1 000×450 mm tee

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場金相和硬度檢測結(jié)果分析

DN1 000×450 mm 三通的現(xiàn)場金相和硬度檢測結(jié)果見表3；1～5#位置的現(xiàn)場金相如圖10 所示。根據(jù)GB/T 17394.4—2014，將TH160 里氏硬度計(jì)在1～5#位置測試的里氏硬度值換算成維氏硬度。由表3 可知，三通1～5#位置的維氏硬度平均值均小于175(HV10)。由表3 和圖10 可知，三通1#、3#、4#和5#位置的顯微組織以鐵素體為主，貝氏體為輔，而2#位置的顯微組織以貝氏體為主。

表3 DN1 000×450 mm三通金相硬度結(jié)果Tab.3 Metallographic and hardness results of DN1 000×450 mm tee

圖10 三通在不同位置的現(xiàn)場金相Fig.10 On-site metallography of tee at different locations

根據(jù)表2 所示的三通低強(qiáng)度檢測方法評價指標(biāo)和準(zhǔn)則，三通1#、3#、4#和5#位置均符合低強(qiáng)度特征，低強(qiáng)度的含義為測試區(qū)域的強(qiáng)度＜本身材質(zhì)所要求的X70強(qiáng)度，包含屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，主要為屈服強(qiáng)度。因此，由5 處三通金相和硬度評價結(jié)果可知，檢測的DN1 000×450 mm 三通為低強(qiáng)度三通。王宇揚(yáng)和王晶[14]進(jìn)行了基于維氏硬度與壓痕試驗(yàn)的X70管線鋼焊接接頭力學(xué)性能評定，通過對不同焊接工藝的母材、焊縫和熱影響區(qū)的力學(xué)性能表征試驗(yàn)表明：維氏硬度、壓痕硬度、塑性功均不隨三通臂厚深度的變化而產(chǎn)生明顯變化。因此，焊接接頭外壁的力學(xué)性能與硬度能夠反映全壁厚的情況。

4.2 破壞性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證低強(qiáng)度三通評價結(jié)果，對三通進(jìn)行了破壞性取樣，分別在三通1～5#位置取單軸拉伸樣和金相試樣進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)DEC-OGP-S-NE-006—2020-1 《油氣管道工程用DN400 及以上管件技術(shù)規(guī)格書》，YY485-PSL2 三通屈服強(qiáng)度最小值要求為485 MPa，YY485-PSL2 三通抗拉強(qiáng)度最小值要求為570 MPa。由表4 可知，三通1～5#的屈服強(qiáng)度平均值均＜485 MPa，1#、2#、4#和5#抗拉強(qiáng)度平均值均＜570 MPa，而3#抗拉強(qiáng)度＞570 MPa。因此，可以判斷此三通的整體強(qiáng)度性能不合格，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)度值。

表4 DN 1000×450 mm三通破壞性拉伸試驗(yàn)檢測結(jié)果Tab.4 Destructive tensile test results of DN 1000×450 mm tee

三通室內(nèi)硬度和金相試驗(yàn)檢測結(jié)果見表5。

由表5 可知，1#、4#和5#的金相組織為鐵素體為主的組織，鐵素體為軟相，強(qiáng)度和硬度較低，1#和4#的硬度平均值＜175(HV10)，2#和5#硬度平均值在200(HV10)以下。圖11 所示為三通1～5#的位置金相組織。通過對比表1 和表3 的金相組織結(jié)果，1#、2#、4#和5#的現(xiàn)場金相和試驗(yàn)檢測金相組織一致，符合率達(dá)到80%。由于現(xiàn)場硬度條件、里氏硬度與維氏硬度檢測方法不同，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室檢測的維氏硬度值比現(xiàn)場里氏硬度檢測值換算的維氏硬度值偏高，但從表4 和表5 的對比結(jié)果可知，三通室內(nèi)維氏硬度檢測值與三通抗拉強(qiáng)度值的總體趨勢相當(dāng)。綜合來看，三通的破壞性硬度和強(qiáng)度檢測結(jié)果實(shí)際驗(yàn)證了三通性能無損檢測評價方法的準(zhǔn)確性。

表5 DN 1000×450 mm三通室內(nèi)硬度和金相試驗(yàn)檢測結(jié)果Tab.5 Indoor hardness and metallographic testing results of DN 1000×450 mm tee

圖11 三通1～5#位置的室內(nèi)金相組織Fig.11 Indoor metallographic structure of tees at 1～5#locations

5 結(jié)論

（1）針對大批量的三通管件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的質(zhì)量把關(guān)至關(guān)重要，為此提出了一種在役X70大口徑三通的力學(xué)性能無損檢測與評價方法。結(jié)合現(xiàn)場硬度和現(xiàn)場金相的檢測方法，規(guī)范了在役X70大口徑三通檢測程序、檢測位置、檢測方法和評價方法。結(jié)合大量X70 合格與不合格三通的硬度和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，建立了三通硬度與強(qiáng)度關(guān)系，形成了現(xiàn)場硬度與三通強(qiáng)度性能的映射關(guān)系。

（2）DN1 000×450 mm 實(shí)物三通無損檢測結(jié)果為：三通1～5#區(qū)域的維氏硬度平均值均＜175(HV10)；三通1#、3#、4#和5#區(qū)域的顯微組織以鐵素體為主，貝氏體為輔，而2#位置的顯微組織以貝氏體為主。由5 處三通金相硬度評價結(jié)果可知，檢測的DN1 000×450 mm三通為低強(qiáng)度三通。

（3）DN1 000×450 mm 實(shí)物三通破壞性試驗(yàn)結(jié)果表明：三通1～5#區(qū)域的屈服強(qiáng)度平均值均＜485 MPa，1#、2#、4#和5#區(qū)域的抗拉強(qiáng)度平均值均＜570 MPa，而3#區(qū)域的抗拉強(qiáng)度＞570 MPa。因此，可以判斷此三通的整體強(qiáng)度性能不合格，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)度值。破壞性試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了X70大口徑三通的力學(xué)性能無損檢測評價方法的可靠性和合理性。