天然氣管道用直通球閥的開裂原因分析

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(北京有色金屬研究總院 國標(北京)檢驗認證有限公司, 北京 100088)

天然氣管道用直通球閥的開裂原因分析

夏雯,劉淑鳳,杜風貞,左玉婷,張東暉

(北京有色金屬研究總院 國標(北京)檢驗認證有限公司, 北京 100088)

某天然氣管道用直通球閥卡套螺母在服役期間發生開裂。采用宏觀觀察、斷口分析、腐蝕產物分析、化學成分分析、顯微組織分析等方法對該卡套螺母的開裂原因進行了分析，并進行了熱模擬試驗及晶間腐蝕試驗。結果表明：化學成分不合格和固溶處理不充分是卡套螺母開裂的主要原因；大量非金屬夾雜物的存在導致電化學腐蝕，是卡套螺母開裂的次要原因。

球閥；卡套螺母；固溶處理；晶間腐蝕；開裂

某廠天然氣管道的不銹鋼直通球閥在服役3 a(年)后發生斷裂，斷裂位置為卡套螺母部位。該球閥的使用地點為浙江某沿海城市郊區，距離海邊約50 km處，直通球閥在野外露天放置，周圍無大型工廠，無強氧化性或還原性腐蝕環境。直通球閥產品型號為RKH 35L 4425，根據型號判斷其材料應為316Ti不銹鋼。316Ti不銹鋼是在316鋼中添加鈦制成的，鈦能改善抗晶間腐蝕性能，耐腐蝕性能應比316不銹鋼的要好。為了研究該直通球閥卡套螺母的斷裂原因，筆者采用宏觀觀察、斷口分析、腐蝕產物分析、化學成分分析、顯微組織分析等方法對其進行了理化檢驗和分析，并進行了熱模擬(固溶處理)及晶間腐蝕試驗[1-2]。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對直通球閥的卡套螺母部位進行宏觀觀察，如圖1所示：卡套螺母的開裂方向為從內向外，如圖1a)箭頭所示；橫縱向均有裂紋且卡套外壁銹斑較多，腐蝕非常嚴重，如圖1b)所示。

圖1 失效卡套螺母的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure ferrule nut:a) transversal surface; b) outside surface

1.2 斷口分析

通過JSM-6510型掃描電鏡觀察卡套螺母的斷口形貌，如圖2所示，斷口整體呈典型的冰糖狀，基本未見塑性變形的韌窩特征，具有沿晶開裂的脆性斷裂形貌特征。

圖2 卡套螺母的斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of the ferrule nut

1.3 腐蝕產物分析

對卡套螺母裂紋附近的腐蝕產物進行能譜分析，如圖3所示，腐蝕產物應為鐵的氧化物和氫氧化物，有少量的氯元素，應為大氣中腐蝕性介質的殘留，還可見硫元素或鉬元素。另外，能譜中出現的硅、鋁峰應為雨水、大氣帶來的附著在表面的泥沙或塵土。

圖3 腐蝕產物能譜分析位置和結果Fig.3 Position and results of energy spectrum analysis of corrosion products: a) analysis position; b) analysis results

1.4 化學成分分析

在球閥卡套螺母上取樣進行化學成分分析，硅和磷元素采用日本島津UV-1750分光光度計分析，鉻元素采用滴定法分析，其余雜質元素使用安捷倫725-ES發射光譜儀進行分析，結果列于表1。結果顯示，與GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》的要求相比，卡套螺母中的碳含量超標，鈦含量則遠低于標準要求，鎳、鉬含量也未達到標準要求。

表1 卡套螺母的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis resutls of chemical compositions of the ferrule nut (mass fraction) %

圖4 卡套螺母的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the ferrule nut: a) intergranular cracks (polished state); b) granular carbides (etched state); c) sulfide inclusions; d) alumina inclusions

1.5 顯微組織分析

從球閥卡套螺母裂紋部位取樣，經拋光、侵蝕后在ZEISS 200MAT型光學顯微鏡和JSM-6510型掃描電鏡下進行觀察。

圖5 晶界處碳化物能譜分析位置和結果Fig.5 Position and results of energy spectrum analysis of carbides at grain boundaries: a) analysis position; b) analysis results

卡套螺母的顯微組織為等軸奧氏體，根據GB/T 6394-2002[3]和GB/T 10561-2005[4]中的A法對卡套螺母的晶粒度和非金屬夾雜物等級進行評定，結果顯示其晶粒度為5.5級，非金屬夾雜物等級為A1.0，B1.0，C0，D2.0?？ㄌ茁菽富w中存在沿晶裂紋，晶界處可見點狀或粒狀的細小顆粒物，疑似為碳化物(M23C6)，如圖4所示。對晶界處細小顆粒物進行能譜分析，結果如圖5所示，結果表明該細小顆粒物為碳化鉻。

1.6 熱模擬及晶間腐蝕試驗

圖6 晶間腐蝕試樣彎曲后形貌Fig.6 Morphology of intergranular corrosion specimens after bending: a) the specimen without solution treatment; b) the specimen after solution treatment

為進一步判斷卡套螺母的失效原因，對其進行熱模擬試驗(固溶處理)，固溶條件為1 050 ℃保溫30～60 min后快速水淬。將固溶前后的試樣按照GB/T 4334-2008中的方法E進行晶間腐蝕試驗，彎曲后試樣的開裂情況如圖6所示。結果顯示，未進行固溶處理的試樣彎曲后發生斷裂，經固溶處理后的試樣未發生斷裂且肉眼觀察未見裂紋[5]。

圖7 固溶處理試樣的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the specimen after solution treatment

對固溶處理后試樣進行金相檢驗，結果如圖7所示。可以看出，固溶后晶界處細小顆粒物基本消失，這是因為經固溶處理后，晶界處細小碳化物分解回溶到基體中。

2 分析與討論

從以上理化檢驗結果可以看出，導致直通球閥卡套螺母失效的因素主要有3個方面：化學成分不合格、非金屬夾雜物較多和固溶處理不充分。

(1) 卡套螺母材料的化學成分中碳含量超標，由于碳易與鉻形成Cr23C6，而碳向晶界擴散的速率比鉻的高，與晶界及晶界附近的鉻形成碳化鉻，造成晶界貧鉻，從而導致晶內與晶界的鉻含量有差異，構成微電池，晶界加速腐蝕。另外由于鈦含量低，無法取代鉻，形成的Cr23C6減少，再加上鉬和鎳的含量也較低，降低了不銹鋼的耐腐蝕性[6-7]。

(2) 卡套螺母材料中存在較多硫化物、氧化鋁等非金屬夾雜物，破壞了鋼基體的連續性，造成不銹鋼表面鈍化膜容易受到局部破壞。由于該卡套螺母在沿海城市服役，空氣中存在氯離子，這些非金屬夾雜物在氯離子的腐蝕作用下形成坑點，在閉塞電池的作用下，坑內基體金屬形成陽極區，導致孔腐蝕，因此該球閥卡套表面存在很多銹斑[8]。

(3) 奧氏體不銹鋼使用前應進行固溶處理，固溶處理的目的是使晶界處析出的碳化物重新溶解，貧鉻區消失，可以提高鋼的耐晶間腐蝕性能。而該卡套螺母在熱處理階段固溶處理不充分，導致晶界處碳化物未回溶而保存下來，材料在空氣中氯離子的作用下發生了晶間腐蝕。另外，卡套螺母在裝配中受到拉應力的作用，因此在裝配外力的作用下，該球閥卡套螺母發生了沿晶開裂。

3 結論與建議

(1) 該直通球閥卡套螺母碳含量超標，在晶界處形成碳化鉻，且由于材料固溶處理不充分，大量碳化鉻未回溶，引起晶間腐蝕，是導致球閥卡套螺母失效的主要原因。大量非金屬夾雜物的存在導致電化學腐蝕，是球閥卡套螺母失效的次要原因。

(2) 建議對316Ti不銹鋼材料的化學成分進行嚴格控制，在入廠之前進行抽樣檢查；控制材料中非金屬夾雜物的含量；對不銹鋼材料進行水韌處理，防止零件存在晶間腐蝕傾向。

[1] 陳鵬,尤兆宏,白濤,等.304不銹鋼法蘭失效分析[J].熱加工工藝,2013,42(2):196-198.

[2] 關錳,王東穎,程從前,等.海水泵葉輪316L不銹鋼螺釘的腐蝕原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(11):806-809.

[3] GB/T 6394-2002 金屬平均晶粒度測定法[S].

[4] GB/T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法[S].

[5] GB/T 4334-2008 金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法[S].

[6] 魯照玲,周志毅,周宇.換熱設備用不銹鋼材料腐蝕失效分析[J].腐蝕科學與防護技術,2006,18(6):443-445.

[7] 羅宏,龔敏.奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕[J].腐蝕科學與防護技術,2016,18(5):357-360.

[8] 張全新. 輸送天然氣用不銹鋼焊管銹蝕穿孔原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,52(2):121-124.

AnalysisonCrackingReasonsoftheBallValveUsedinNaturalGasPipelines

XIAWen,LIUShufeng,DUFengzhen,ZUOYuting,ZHANGDonghui

(Guobiao (Beijing) Testing & Certification Co., Ltd., General Research Institute for Nonferrous Beijing, Beijing 100088, China)

The ferrule nut of a ball valve used in natural gas pipeline cracked during the service period. Macroscopic observation, fracture surface analysis, corrosion product analysis, chemical composition analysis, microstructure analysis and so on were used to analyze the cracking reasons of the ferrule nut, and the thermal simulation experiment and intergranular corrosion test were carried out. The results show that: the main reasons for cracking of the ferrule nut were that chemical compositions were not qualified and the solution treatment was insufficient; the minor reason for cracking of the ferrule nut was that a large number of non-metallic inclusions caused the electrochemical corrosion.

ball valve; ferrule nut; solution treatment; intergranular corrosion; cracking

10.11973/lhjy-wl201711012

TG142; TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0818-04

2017-02-10

夏 雯(1982-)，女，高級工程師，碩士，主要從事金屬及其合金的金相分析和失效分析工作，freshairfly@163.com