氣瓶管開裂失效分析

李金鳳，任國(guó)琪，宋 娟，吳 雙，雷云飛

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.河南鄭州中牟縣管道三公司項(xiàng)目管理中心，河南 鄭州 451450)

?

·失效分析與預(yù)防·

氣瓶管開裂失效分析

李金鳳1，任國(guó)琪1，宋 娟1，吳 雙1，雷云飛2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.河南鄭州中牟縣管道三公司項(xiàng)目管理中心，河南 鄭州 451450)

通過對(duì)某公司的氣瓶管樣品進(jìn)行宏觀分析、無損檢測(cè)、理化性能、金相及斷口微觀分析，發(fā)現(xiàn)氣瓶管裂紋是由無縫鋼管熱軋過程中的折疊缺陷引起，氣瓶生產(chǎn)收底過程中，折疊缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致氣瓶管開裂。并對(duì)該批無縫鋼管的質(zhì)量檢驗(yàn)以及熱軋工藝提出建議。

氣瓶；開裂；折疊缺陷

0 引 言

某公司在氣瓶制造收底時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣瓶加熱區(qū)有一條裂紋，開裂氣瓶用鋼管屬熱軋無縫鋼管，規(guī)格為Φ219 mm×5.7 mm，材質(zhì)牌號(hào)為37Mn/1。生產(chǎn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 18248-2008《氣瓶用無縫鋼管》、HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術(shù)協(xié)議書》；無縫鋼管軋制工藝：下料、管坯加熱1 280℃、穿孔、1 060℃軋管、880℃再加熱、760℃定徑、成品；氣瓶的生產(chǎn)工藝：下料、1 040℃～1 060℃中頻感應(yīng)加熱管端、管端收口收底、840℃～860℃正火、表面噴砂烤漆、壓力試驗(yàn)、成品。

1 宏觀分析、外觀尺寸及無損檢測(cè)

開裂樣品宏觀形貌及裂紋如圖1所示。由圖1可見，失效氣瓶管的底部及部分管體外表面有明顯加熱痕跡(藍(lán)灰色區(qū))，加熱區(qū)的管體外表面及瓶底有1條肉眼可見的軸向裂紋。

對(duì)委托樣品進(jìn)行尺寸檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1；依照J(rèn)B/T4730.4-2005標(biāo)準(zhǔn)，用CJZ-212ET探傷設(shè)備對(duì)樣品外表面進(jìn)行磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)樣品外表面沿軸向有1條裂紋，樣品底部有1條裂紋，且底部裂紋與軸向裂紋相連通，裂紋長(zhǎng)度與樣品長(zhǎng)度相等(305 mm)，磁粉探傷裂紋圖像特征如圖2～3所示。

圖1 樣品宏觀形貌

名稱外徑壁厚樣品219.32、219.70、219.566.17、6.33、6.36、6.38、6.43、6.15、6.35、6.25、HYJX2014-086技術(shù)協(xié)議要求218.25～219.755.7～6.98

圖2 樣品外表面軸向裂紋

圖3 樣品底部外表面裂紋

2 理化性能檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB 4336-2002標(biāo)準(zhǔn) 用ARL4460直讀光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表2。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

沿管體縱向在開裂氣瓶管的非裂紋區(qū)取拉伸及夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)樣品，分別用UH-F500KNI及PIT752D-2試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1-2010及GB/T 229-2007，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3 金相分析

3.1 裂紋區(qū)樣品分析

從氣瓶樣品裂紋區(qū)取樣，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行金相分析，裂紋區(qū)取樣位置如圖4、圖5所示。金相分析樣品編號(hào)為1、2、4、6、7、8、10、11。

1、2、4、6樣品位于氣瓶管瓶身，且在氣瓶生產(chǎn)中未經(jīng)過感應(yīng)加熱，屬熱軋無縫管區(qū)；7、8號(hào)樣品位于氣瓶瓶身，氣瓶制造時(shí)已感應(yīng)加熱、屬擠壓收底過渡區(qū)；10、11號(hào)樣品位于瓶底，氣瓶制造時(shí)已感應(yīng)加熱，屬擠壓收底區(qū)。

金相樣品分析面為橫向(垂直于裂紋方向)。分析發(fā)現(xiàn)，氣瓶管3個(gè)區(qū)域的8個(gè)典型試樣的裂紋均起源于氣瓶樣品管的外表面。靠近外表面裂紋開口較大，裂紋尖端相對(duì)較細(xì)小圓鈍，裂紋與外表面夾角大約為45°。裂紋內(nèi)及裂紋附近均有灰色塊狀及球狀非金屬物質(zhì)。與非裂紋區(qū)組織“珠光體+網(wǎng)狀鐵素體”比較，裂紋附近組織有明顯的擠壓變形流線痕跡，且裂紋兩側(cè)金相組織主要為塊狀鐵素體，表明氣瓶管的裂紋附近有明顯的氧化脫碳特征[1]。裂紋及裂紋附近微觀特征如圖6～圖11所示。裂紋距外表面垂直距離(深度)測(cè)量結(jié)果見表4。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果(Wt×10-2)

注：GB/T 222-2002規(guī)定：C含量的上偏差為0.03%。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 非裂紋區(qū)樣品分析

從氣瓶樣品非裂紋區(qū)取樣，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)分析，樣品組織為“珠光體+網(wǎng)狀鐵素體”；分別依據(jù)GB/T 10561-2005、GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所取樣品非金屬夾雜物[2]、晶粒度[3]進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表5。

表4 裂紋深度測(cè)量結(jié)果(mm)

表5 非裂紋區(qū)金相分析結(jié)果

注：非金屬夾雜物評(píng)級(jí)中，B2.5 s 為超尺寸夾雜物，長(zhǎng)度為586 um，最大厚度為25 um。

圖4 樣品外表面裂紋區(qū)取樣位置

圖5 樣品底部裂紋區(qū)取樣位置

圖6 2號(hào)外表面裂紋內(nèi)灰色非金屬物質(zhì)及組織

圖7 圖6放大

圖8 6號(hào)外表面裂紋內(nèi)非金屬物質(zhì)及組織

圖9 圖8放大

圖10 11號(hào)外表面裂紋及組織

圖11 圖10放大

4 掃描電子顯微鏡及能譜分析

分別對(duì)1、2、4、6、7、8、10及11號(hào)金相樣品的裂紋及裂紋附近非金屬物質(zhì)用VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表6及圖12～圖15。

5 結(jié)果分析

5.1 氣瓶管樣品材質(zhì)及外觀尺寸分析

對(duì)氣瓶管樣品瓶身進(jìn)行外觀尺寸(外徑、壁厚)檢測(cè)，外徑、壁厚均符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術(shù)協(xié)議書》要求；氣瓶管的化學(xué)成分符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術(shù)協(xié)議書》對(duì)37Mn/1的要求；氣瓶管材料中B類非金屬夾雜物為2.5級(jí)，不符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術(shù)協(xié)議書》要求；氣瓶管的外表面金相組織主要為鐵素體，明顯存在氧化脫碳層。壁厚心部金相組織為“珠光體+網(wǎng)狀鐵素體”，晶粒度為4.0級(jí)。

表6 裂紋內(nèi)及裂紋附近灰色非金屬物質(zhì)能譜分析結(jié)果(Wt%)

圖12 2號(hào)裂紋內(nèi)非金屬物質(zhì)能譜分析位置及曲線

圖13 2號(hào)裂紋內(nèi)非金屬物質(zhì)能譜分析位置及曲線

圖14 6號(hào)裂紋內(nèi)非金屬物質(zhì)能譜分析位置及曲線

圖15 11號(hào)裂紋內(nèi)非金屬物質(zhì)能譜分析位置及曲線

5.2 氣瓶管樣品裂紋分析

由氣瓶管樣品無損檢測(cè)結(jié)果可知，氣瓶管外表面有一條貫穿樣品底部及全長(zhǎng)的裂紋，這條裂紋分布在3個(gè)區(qū)域，分別為瓶身熱軋無縫管區(qū)裂紋、瓶身感應(yīng)加熱過渡區(qū)裂紋、瓶底感應(yīng)加熱區(qū)裂紋。樣品其它區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂紋類缺陷；氣瓶用無縫管制造工藝為熱軋，氣瓶制造過程中，收底前需中頻感應(yīng)加熱，氣瓶管裂紋是收底時(shí)發(fā)現(xiàn)的，肉眼可見的裂紋出現(xiàn)在氣瓶管感應(yīng)加熱區(qū)(存在深灰色痕跡)，該區(qū)裂紋又與無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的非感應(yīng)加熱區(qū)裂紋相連通，可見加熱區(qū)裂紋與非加熱區(qū)裂紋屬一條裂紋；經(jīng)金相分析，位于氣瓶管瓶身的8號(hào)樣品裂紋(感應(yīng)加熱區(qū))最大深度為2.51 mm，占瓶身壁厚(5.7 mm)的44%；6號(hào)樣品(非感應(yīng)加熱區(qū))裂紋最大深度1.29 mm，占瓶身壁厚的23%。說明氣瓶管收底時(shí)感應(yīng)加熱區(qū)的裂紋較深，熱軋鋼管區(qū)裂紋相對(duì)較淺。

經(jīng)掃描電子顯微鏡能譜分析，裂紋內(nèi)及裂紋附近非金屬物質(zhì)中氧元素含量為25.27～40.24 Wt% ，鐵元素的含量為39.72～71.49 Wt% ，這些非金屬物質(zhì)形貌結(jié)構(gòu)相對(duì)都較致密，可見裂紋內(nèi)及裂紋附近灰色非金屬物質(zhì)主要為鐵的氧化物，屬高溫氧化物；金相分析，裂紋均起源于氣瓶樣品管的外表面，裂紋開口較大，尖端相對(duì)較細(xì)小圓鈍，裂紋與外表面夾角大約為45°夾角，裂紋周圍組織有氧化脫碳特征，可見委托分析的氣瓶管樣品裂紋屬折疊裂紋[4]。氣瓶管3個(gè)區(qū)域的裂紋外觀及尺寸雖有差異，但裂紋附近的組織、非金屬物質(zhì)等微觀特征基本相同，因此可以判斷貫穿氣瓶管樣品全長(zhǎng)的裂紋是在鋼管生產(chǎn)熱軋過程中產(chǎn)生的折疊裂紋。

由委托單位提供資料可知，氣瓶用無縫鋼管屬熱軋鋼管，鋼管軋制過程中管坯加熱致1 280℃，軋管溫度1 060℃，高溫下管體表面與空氣接觸，表面氧化脫碳，產(chǎn)生鐵的高溫氧化物。正常熱軋狀態(tài)下，鋼管表面形成的氧化鐵皮只存在于鋼管表面，若軋制工藝異常，鋼管金屬在軋制流變過程中與已氧化的表層金屬(氧化皮)匯和在一起形成折疊裂紋。氣瓶管感應(yīng)加熱收底擠壓過程中，鋼管熱軋時(shí)已產(chǎn)生的折疊裂紋再次被加熱，在熱應(yīng)力及表面拉伸應(yīng)力作用下，原有的折疊裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展、裂紋附近再次氧化脫碳，最終導(dǎo)致氣瓶管收底樣品的感應(yīng)加熱區(qū)形成了開口較大的宏觀裂紋。

6 結(jié)論及建議

1)氣瓶管樣品的化學(xué)成分及外觀尺寸檢測(cè)結(jié)果均符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術(shù)協(xié)議書》對(duì)37Mn/1材質(zhì)的要求；非金屬夾雜物分析結(jié)果中B類夾雜物不符合HYJX2014-086《氣瓶用熱軋無縫鋼管技術(shù)協(xié)議書》要求。

2)氣瓶用無縫鋼管熱軋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了折疊缺陷，氣瓶感應(yīng)加熱成型收底過程中，折疊缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致氣瓶管開裂失效。

3)建議對(duì)該批無縫鋼管重新進(jìn)行無損檢測(cè)，同時(shí)檢查改進(jìn)鋼管熱軋工藝，防止類似問題再次發(fā)生。

[1] 劉瑞堂.機(jī)械零件失效分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003：178-179.

[2] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法：GB/T 10561-2005[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[3] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.金屬平均晶粒度測(cè)定方法：GB/T 6394-2002[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[4] 鐘群鵬.材料失效診斷、預(yù)測(cè)和預(yù)防[M].湖南：中南大學(xué)出版社,2009：60-64.

Failure Analysis of Gas Cylinder

LI Jinfeng1，REN Guoqi1，SONG Juan1，WU Shuang1，LEI Yunfei2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China;2.No.3ConstrictiollBranchCompanyofCPP,Zhengzhou,Henan451450,China)

Through visual inspection, non-destructively test, physical and chemical analysis, metallographic examination, and fraction surface analysis of the crack in the gas cylinder body, it was found that the crack was caused by folding defect during hot rolling process of seamless steel pipe. At the end of cylinder production, the folding defect expanded further to lead to the cylinder cracking. Some suggestions were given to the same batch seamless pipequality inspection and hot rolling technique.

gas cylinder; crack; folding defect

李金鳳，女，1963年生，高級(jí)工程師，1987年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)金屬材料及熱處理專業(yè)。主要從事石油工業(yè)產(chǎn)品的失效分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、技術(shù)監(jiān)督及科研工作。E-mail:lijinfeng002@cnpc.com.cn

TE972

A

2096-0077(2016)05-0030-06

2016-04-28 編輯：葛明君)