鈦合金彎管的失效原因

李豐博,崔少平,李 寧,王婭輝

(西安優耐特容器制造有限公司，西安 710201)

鈦合金具有良好的力學性能與耐蝕性，鈦合金管材也被廣泛應用于核電[1]、海洋工程[2]等領域，在復雜運行工況下，由于設計、使用、維護等過程中各種因素的影響，鈦合金仍有可能發生磨損、腐蝕等常見的材料失效現象。管路管線的突然爆裂可能會引起重大的安全事故與經濟損失[3]。因此，本工作針對某失效管件進行分析，確定失效原因，以期為設計、生產、維修等各個環節提供理論依據，保證系統的安全運行。

1 試驗

服役于某化工廠含氯廢水處理系統的彎管發生爆炸失效，其材料為TA10鈦合金。彎管中物料組成復雜，有固體顆粒，正常服役溫度為220 ℃，若出現堵塞，局部溫度會升高，壓力為7 MPa，內部通空氣，在爆裂失效前該部位有過堵塞，將堵塞疏通不久后出現爆裂失效。截取鈦管彎管及直管的失效部位進行宏觀分析，然后在彎管斷裂失效處、彎管未斷裂處、直管處分別截取試樣，用OLYMPUS GX51顯微鏡對其橫截面顯微組織進行觀察；采用JSM-6460型掃描電鏡對失效件內壁及斷口進行觀察并對其內表面產物進行分析。分別在直管處及彎管處截取拉伸試樣，尺寸如圖1所示，通過拉伸試驗對其力學性能進行分析。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig. 1 Size of tensile sample

2 結果與討論

2.1 宏觀形貌及顯微組織

圖2(a)所示為失效彎頭，由宏觀形貌可見失效位置在彎管最外側，失效處減薄明顯，經過彎曲成型的鈦管最外側管壁最薄、拉應力最大，因此此處為整個彎管的薄弱環節。管壁內側情況如圖2(b)所示，在靠近斷口的位置出現明顯的氧化變色，由于腐蝕介質以及固體顆粒的存在,管壁內側有明顯的沖蝕痕跡，截取斷口處、距斷口100 mm處、直管處制作金相試樣并對其橫截面形貌進行觀察。

(a) 外部 (b) 內部圖2 失效彎管的宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of failed elbow: (a) outside; (b) inside

如圖3所示,可以看出彎頭斷裂處有很多微小裂紋，且越靠近內表面裂紋越多，距斷裂100 mm處也存在微裂紋，但是數量明顯減少，直管處內部組織清晰光潔。

(a) 斷裂處 (b) 距斷裂100 mm處 (c) 直管處圖3 失效彎管的截面顯微組織Fig. 3 Cross-sectional microstructures of failed elbow: (a) break; (b) 100 mm from the break; (c) straight pipe

2.2 斷口形貌

對失效后的斷口進行觀察，如圖4所示，可以看出靠近斷口處的氧化層并不完整，存在氧化層的剝落現象。在多次循環受力下，垂直于裂紋擴展方向上出現大量的平行條紋，這些條紋是由每次受力時彎管發生變形導致的。從上述結果可以得出，多次循環受力下鈦管變形逐步累加導致裂紋逐步擴展，鈦管內部在多次沖刷下氧化層發生剝落，而高溫有氧環境有利于氧化層再次生成，多次的氧化及剝落過程導致管壁減薄[4]。

(a) 內表面 (b) 裂紋尖端圖4 失效彎管的斷口形貌Fig. 4 Fracture morphology of failes elbow: (a) internal surface; (b) crack tip

2.3 內表面SEM形貌與EDS分析

如圖5所示,可以看出材料內表面腐蝕嚴重，尤其在晶界處聚集了比較多的腐蝕產物，而晶粒內部腐蝕較輕，呈現出比較明顯的沿晶腐蝕形貌。

圖5 失效彎管內表面腐蝕形貌圖Fig. 5 Internal surface corrosion morphology of failed elbow

如圖6和表1所示,由于高溫環境及氧氣的存在，鈦管斷口內表面形成了一層比較均勻致密的氧化層，氧化層中氧的質量分數約為40%。與斷口處相比，直管處內表面的氧化層比較松散，且氧化程度不均。從EDS結果也可以看出在氧化層致密區域(區域B)，氧的質量分數約為32%，而在非致密區域(區域C)氧的質量分數約為9.6%。綜上可得，斷口處的氧化程度遠大于未斷裂處的，斷口處的氧化層較未斷裂處的更加均勻致密。

(a) 斷裂處

表1 內表面EDS分析結果Tab. 1 Results of EDS analysis of internal surface %

2.4 橫截面SEM形貌與EDS分析

如圖7所示,為分析斷裂前后材料內部組織結構的變化，分別選取斷裂處與直管處橫截面作為試樣，打磨拋光后進行SEM分析。在直管處其表面均勻分布著彌散的第二相。局部放大后，可以看到在基體表面除了第二相還存在一些小坑，見圖7(b)，這些坑中還殘留著一些沒有完全消失的彌散相。在斷裂失效處彌散相基本消失，表面呈現出密集分布的小坑。分析認為，這些坑應該是基體上的第二相消失后殘留的形貌。

(a) 直管處 (b) 直管處局部放大 (c) 斷裂處圖7 失效彎管的橫截面形貌Fig. 7 Cross-sectional morphology of failed elbow: (a) straight pipe; (b) enlarged straight pipe; (c) break

內部成分的變化是影響材料性能的重要因素，為確認斷裂失效前后成分的變化，對橫截面的組織進行EDS分析。由圖8和表2可以看出,直管處(區域A)整體的表面Ni質量分數為2%。在彌散相上(區域C,區域D)Ni質量分數為20%，Ti質量分數為80%，而基體中(區域B)Ti質量分數為100%，說明直管處Ni幾乎全部聚集在Ti-Ni彌散相上,而斷裂處的成分發生了明顯變化。如圖8(c)所示，斷裂處(區域F)，其成分主要為Ti、Ni及少量的Mo，此處Ni含量與直管處的Ni含量基本一致。對腐蝕坑內成分進行檢測(區域E,區域G)，腐蝕坑內部Ni含量與直管處的掃描結果無明顯差異。由于Ni元素在鈦合金中的遷移能力較低，在較高溫度下，Ni元素較易發生遷移[5]。在發生失效前，彎管處發生過堵塞，堵塞后彎管處的溫度升高，高溫為Ni元素的遷移提供了條件。綜上所述，在直管處Ni元素基本全部集中在第二相中，而斷裂處的Ni元素從第二相中遷移到基體中。

(a) 直管處 (b) 直管處局部放大 (c) 斷裂處圖8 失效彎管橫截面EDS分析位置Fig. 8 EDS analysis locations on cross-section of failed elbow: (a) straight pipe; (b) enlarged straight pipe; (c) break

表2 橫截面EDS分析結果Tab. 2 Results of EDS analysis of cross-section %

2.5 力學性能分析

分別選取鈦管的直管及彎頭部分進行拉伸試驗，如圖9所示，直管處的抗拉強度為445 MPa，斷后伸長率為41.33%，斷面收縮率為63.0%。彎管處的抗拉強度為580 MPa，斷后伸長率為15.33%，斷面收縮率為43.3%。由于彎管時加工硬化的影響，該處強度明顯提升，但是同時也極大地降低了材料的塑性，因此其斷后伸長率及斷面收縮率下降,且其斷后伸長率已經低于GB/T 3624-2010《鈦及鈦合金無縫管》的要求，在受力后由于彎管處變形能力不足，此處容易發生斷裂。

(a) 直管

3 結論

(1) 由于彎管成型過程中，變形產生的加工硬化導致材料塑性降低，變形能力變差。此外，由于彎制加工導致在彎管的外壁處壁厚減薄且存在較大的拉應力，使鈦管內部承壓時，彎管外壁成為了薄弱環節。

(2) 管內為高溫廢水環境，流體壓力較高且含有固體顆粒，這種高壓液體在彎頭處形成湍流，對彎頭處沖擊產生較大的剪切力，而流體中含有的固體顆粒和氣泡會強化剪切力，使管內壁的氧化膜破壞，氧化沖蝕的往復過程導致彎頭壁厚越來越薄。

(3) 當彎管處堵塞后，此處的溫度及壓力都會升高，高溫使材料內部的彌散強化相消失，材料強度降低，承壓能力變差。最終在內外部因素的共同作用，材料發生沿晶腐蝕，伴隨多次較大的拉應力作用，管道逐步累積變形,最終破裂。