T3紫銅輸油管斷裂原因分析

王 凡,劉素芬,張志偉,劉曉斌,趙豫東,溫鐵麗

(中國兵器工業第五二研究所,包頭014034)

T3紫銅輸油管斷裂原因分析

王 凡,劉素芬,張志偉,劉曉斌,趙豫東,溫鐵麗

(中國兵器工業第五二研究所,包頭014034)

某電廠用T3紫銅輸油管使用約半年時間發生斷裂失效。采用宏觀檢驗、斷口微觀分析、能譜分析、金相檢驗的方法,對該紫銅輸油管的斷裂原因進行了分析。結果表明:輸油管的斷裂類型屬于應力腐蝕開裂;管內的長效潤滑油中含有應力腐蝕敏感介質硫和氯元素,且輸油管彎曲部位存在較大拉應力,導致該紫銅輸油管發生應力腐蝕開裂。

紫銅;輸油管;腐蝕介質;拉應力;應力腐蝕開裂

紫銅以其優良的耐蝕性、耐高溫、耐高壓和易于彎曲變形、安裝等特點,被廣泛用作油管材料。某電廠使用的?10 mm×2 mm輸油管,采用T3紫銅材料制造,工作溫度為45～55℃,管內壓力為3.5 MPa,管內介質為32號長效潤滑油。該輸油管使用約半年后發生斷裂事故,輸油管的斷裂形貌如圖1所示。

為了查明輸油管的斷裂原因,筆者對其斷口形貌、化學成分、微觀組織進行了理化檢驗和分析。

圖1 輸油管的斷裂形貌Fig.1 Cracking morphology of the oil pipe

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

由圖1可見,該輸油管在形狀變化的拐點處沿橫向開裂;斷面無明顯塑性變形,呈宏觀脆性斷裂特征,如圖2所示。仔細觀察斷口形貌,發現斷面顏色有差別。斷面以亮紅色為主,但在內壁溝痕處可見一暗紅色區域,顯示為陳舊斷口特征,即該處早于其他部位開裂,因此判斷該區域為裂紋源,見圖3。

1.2 斷口微觀分析及能譜分析

采用掃描電鏡(SEM)對斷口進行微觀分析,可見裂紋源處內壁形貌以冰糖狀沿晶斷口為主,其上可見二次沿晶裂紋,呈脆性斷裂特征,見圖4;遠離裂紋源處斷口的掃描電鏡形貌則以撕裂棱和韌窩為主,呈韌性斷裂特征,見圖5。

圖2 輸油管斷口的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture of the oil pipe

圖3 輸油管斷口的裂紋源形貌Fig.3 Morphology of the crack source area of the fracture of the oil pipe

圖4 裂紋源處的掃描電鏡形貌Fig.4 SEM morphology of the crack source area

圖5 遠離裂紋源處的掃描電鏡形貌Fig.5 SEM morphology away from the crack source area

對斷口進行能譜(EDS)分析,在裂紋源區域檢測到有硫、氯元素存在,見圖6;在遠離裂紋源區域未見有硫、氯元素,見圖7。該結果說明裂紋源處斷口受到含有氯、硫元素的腐蝕介質的作用,且該腐蝕介質來源于輸油管內壁。

圖6 裂紋源區域的背散射電子像和能譜分析結果Fig.6 The（a）backscattered electron image and（b）EDS analysis result of the crack source area

圖7 遠離裂源區域的背散射電子像和能譜分析結果Fig.7 The（a）backscattered electron image and（b）EDS analysis result away from the crack source area

1.3 金相檢驗

在輸油管斷口附近未腐蝕區域截取金相試樣,拋光后進行觀察,組織中未見夾雜物、針孔等宏觀缺陷。試樣經侵蝕后進行金相檢驗,如圖8所示,可見顯微組織為單相α固溶體,屬于紫銅材料的正常組織。

圖8 輸油管的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of the oil pipe

2 分析與討論

該紫銅輸油管的內部介質為32號長效潤滑油,長效潤滑油是指含有極壓添加劑的潤滑油,而極壓添加劑是含有硫、氯、氮、磷的有機極性化合物。與普通潤滑油相比,它雖然能夠承受重載荷、沖擊載荷和降低機械磨損[1],但其中的硫、氯、氮、磷元素在一定的條件下也會使管壁發生腐蝕現象。

檢測結果表明,輸油管斷面上顏色深的區域為裂紋源,起始于內壁表面。從能譜分析結果可知,裂紋源處檢測到了硫、氯元素,在遠離裂紋源處未檢測到硫、氯元素,表明開裂與硫、氯腐蝕介質相關,而氯化物是銅及銅合金發生應力腐蝕的敏感介質[2-3]。從斷口形貌上分析,裂紋源處斷口形貌以沿晶為主,但在遠離裂紋源的區域,斷口形貌以韌窩為主。紫銅屬于韌性材料,開裂后的斷口應以韌窩為主,但從晶體結構上來說,紫銅材料屬于面心立方結構,因此發生氯化物應力腐蝕開裂時斷面以沿晶為主[4]。從輸油管的斷裂位置來看,斷口位于彎曲的拐點處,使用過程中由于內壁介質為流動的潤滑油。油管的彎曲使得內壁介質流動方向發生變化,管壁的受力方向也隨之改變,拐點處就會產生一個與其相切并與管壁成一定角度的拉應力,見圖9。同時,在工作狀態下由內部介質產生的溫度變化和壓力,及管壁處機械加工溝痕引起的應力集中[5-6],也會進一步加大拐點處的拉應力。

圖9 輸油管管壁受力示意圖Fig.9 The sketch diagram of the stress of the oil pipe wall

綜合分析以上結果,確定紫銅輸油管的開裂屬于氯化物導致的應力腐蝕開裂。應力腐蝕開裂是金屬材料在靜拉伸應力和特定的腐蝕介質協同作用下出現的低于其強度極限的脆性開裂,它對構件的危害是致命性的,通常導致構件突發性斷裂失效。

3 結論及建議

該紫銅輸油管內的32號長效潤滑油中含有硫、氯等腐蝕性元素,在使用過程中,由于管內介質的流動、壓力和溫度變化,造成彎曲部位的拐點處存在較大的拉應力,從而使其在該處發生沿晶型應力腐蝕開裂。

建議在管路的結構設置上增加油管的固定措施,避免因振動使拐彎處產生拉應力;建議選用氯含量更低的優質32號長效潤滑油,避免應力腐蝕的發生。

[1] 劉洪濤,鮑曉軍,謝穎,等.潤滑油基礎油非加氫脫氮技術研究開發進展[J].潤滑油,2002,17(1):34-38.

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[3] 劉瑞堂.機械零件失效分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2003:47-49.

[4] 孫智,江利,應鵬展.失效分析——基礎與應用[M].北京:機械工業出版社,2005:121-122.

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[6] 廖景娛.金屬構件失效分析[M].北京:化學工業出版社,2003:100-105.

Analysis on Fracture Reasons of the T3 Red Copper Oil Pipe

WANG Fan,LIU Su-fen,ZHANG Zhi-wei,LIU Xiao-bin,ZHAO Yu-dong,WEN Tie-li
(The 52 Research Institute of China Ordnance Industry,Baotou 014034,China)

One T3 red copper oil pipe of a power plant fractured after used for half a year.The fracture reasons of the red copper oil pipe were analyzed by methods of macrographic examination,fracture micro analysis, energy spectrum analysis and metallographic examination.The results show that:the fracture type of the oil pipe was stress corrosion cracking;the long-term lubricating oil contained the medium of chlorine and sulfur sensitive to the stress corrosion,and the tensile stress existed in the bending position of the oil pipe,and those factors resulted in the stress corrosion cracking of the red copper oil pipe.

red copper;oil pipe;corrosive medium;tensile stress;stress corrosion cracking

TG146.1+1

:B

:1001-4012(2017)01-0070-03

10.11973/lhjy-wl201701016

2016-03-15

王凡(1972—),女,高級工程師,主要從事金屬材料的理化檢驗工作。

劉素芬(1964—),女,高級工程師,主要從事金屬材料的理化檢驗與失效分析工作,1018460014＠qq.com。