耐磨蝕BMS1400鋼疏浚管開裂的原因

宋鳳明, 溫東輝, 王軍藝

(寶山鋼鐵股份有限公司 研究院, 上海 201900)

在圍海造陸、航道疏浚等工程中，大量泥沙、礫石以漿體的形式通過管道進(jìn)行輸送。在海洋工況條件下，輸送管道同時(shí)承受海水介質(zhì)的腐蝕和漿體中固體顆粒的磨損，造成嚴(yán)重的磨蝕[1-2]。采用Q235B和Q345B普通碳素鋼管時(shí)，因其耐磨蝕性能較差，使用過程中需要頻繁調(diào)換管體或維修[3]，這不僅增加了工作成本，還降低了作業(yè)的效率，難以滿足以上作業(yè)的要求。耐磨蝕BMS1400鋼是針對(duì)海水疏浚環(huán)境而開發(fā)的工作管道專用鋼，具有耐蝕性、耐磨損性能好等特點(diǎn)，其耐磨蝕性能是普通材料的2倍[4]，可有效提高工作效率。

在某疏浚作業(yè)過程中，BMS1400鋼管出現(xiàn)開裂滲漏現(xiàn)象。裂紋主要沿管道長(zhǎng)度方向擴(kuò)展，少量裂紋沿管道橫向擴(kuò)展，裂紋距離直焊縫300～400 mm。筆者通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、顯微組織觀察等方法，并結(jié)合管道的服役環(huán)境，分析了開裂的原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

管道內(nèi)、外表面裂紋的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可見：管道內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)度約為280 mm，兩條主裂紋尚未完全斷開；管道外表面的裂紋整體上呈叉子狀，長(zhǎng)度約為360 mm。從內(nèi)外裂紋長(zhǎng)度可以判斷管道是從外表面起裂，并逐漸向內(nèi)表面擴(kuò)展的。

圖1 管道內(nèi)、外表面裂紋的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracks on the insidea) and outside b) of pipe

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)ASTM E1019-11《不同燃燒和熔融技術(shù)測(cè)定鋼、鐵、鎳、鈷合金中碳、硫、氮、氧合量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和JIS G1253-2002《鋼鐵火花放電原子發(fā)射光譜分析法》，對(duì)開裂管道進(jìn)行化學(xué)成分分析，在國家認(rèn)可的鋼鐵材料測(cè)試中心進(jìn)行檢測(cè)。由表1可知，開裂管道的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表1 開裂管道的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of cracked pipe

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照GB/T 231.1-2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》和GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，從管道裂紋附近區(qū)域取樣，進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。由表2可知，開裂管道的沖擊韌性和硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表2 開裂管道的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties of cracked pipe

1.4 顯微組織觀察

從管道裂紋附近處取樣，經(jīng)鑲嵌、研磨后，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖2可見，管道基體組織為正常的低溫回火馬氏體組織。

圖2 開裂管道的顯微組織Fig.2 Microstructure of cracked pipe

1.5 斷口分析

在體視顯微鏡下觀察管道外表面裂紋交叉位置處的宏觀形貌。由圖3可見，管道外表面有兩道較為明顯的劃痕一直延伸到裂紋交叉位置，劃痕深度超過0.3 mm，最深達(dá)0.75 mm。由圖4可見：劃痕內(nèi)部存在大量肉眼可見的垂直于劃痕的裂紋，開裂面上有明顯的起裂痕跡，裂紋表面可見明顯的起源區(qū)、霧化區(qū)和擴(kuò)展區(qū)，可以確定該處為裂紋起裂位置，表明管道開裂與貫穿該處的劃痕有關(guān)；另外，裂紋表面可見與裂紋擴(kuò)展方向平行的臺(tái)階狀和山脊?fàn)钔蛊穑⒊史派錉罘植肌?/p>

圖3 管道外表面裂紋交叉位置處的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology at intersection of cracks on outside surface of pipe

圖4 管道外表面劃痕內(nèi)部和起裂位置處的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of outside surface scratch inside a) andinitial cracking position b) of pipe

從圖3所示劃痕位置取樣，觀察劃痕內(nèi)部裂紋的微觀形貌。由圖5可見，劃痕內(nèi)部微裂紋深度約為270 μm，劃痕表層存在明顯的形變特征，表明在外力作用下劃痕處發(fā)生了劇烈的變形。在叉車起運(yùn)過程中管道容易受到叉車臂的碰撞、摩擦，在組裝、吊運(yùn)過程中管道也容易發(fā)生撞擊。當(dāng)外力強(qiáng)度超過了材料的屈服極限時(shí)，管道表面會(huì)形成較深的劃痕并產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，進(jìn)而形成許多微裂紋。

圖5 管道外表面劃痕內(nèi)部裂紋的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of internal crack in scratcheson outside surface of pipe

從圖1所示裂紋的末端取樣，分別對(duì)外表面和截面裂紋進(jìn)行觀察。由圖6可見：外表面裂紋沿著晶粒邊界擴(kuò)展，具有應(yīng)力腐蝕和氫致開裂特征[5]，裂紋附近未見夾渣、夾雜物等缺陷，表明開裂與管道材質(zhì)無關(guān)；截面裂紋可見大量細(xì)小的二次裂紋，具有分叉結(jié)構(gòu)，尾部較為尖銳，呈明顯的應(yīng)力腐蝕特征[6-7]。管道表面劃傷后存在應(yīng)力集中，在海水環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致管道產(chǎn)生裂紋。

圖6 管道外表面和截面裂紋的顯微組織Fig.6 Microstructure morphology of cracks on outsidesurface a) and section b) of pipe

2 討論

分別測(cè)試了BMS1400鋼板和開裂BMS1400鋼疏浚管的氫含量，發(fā)現(xiàn)開裂鋼管的氫含量比鋼板有所提高，其質(zhì)量濃度約為0.2 mg/L，表明管道在服役過程中發(fā)生了明顯的氫擴(kuò)散。疏浚過程中管道浸泡在海水中，易被海水腐蝕。此外，在加工過程中管道表面容易殘留加工應(yīng)力，使得管道表面處于張應(yīng)力狀態(tài)，管道表面受到劃擦?xí)r容易在應(yīng)力作用下形成微裂紋和應(yīng)力集中，從而促進(jìn)腐蝕的發(fā)生和氫的滲透擴(kuò)散[8-9]，最終導(dǎo)致管道開裂。該BMS1400鋼疏浚管為應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的開裂，同時(shí)具有氫致開裂特征。

采用三輥式卷板機(jī)制作疏浚管時(shí)，鋼板的成形加工包括鋼板兩邊的預(yù)彎、卷板及后續(xù)的滾圓。預(yù)彎的弧度與壓頭直徑、壓頭尺寸及壓下量有關(guān)[10]。本試驗(yàn)中BMS1400鋼疏浚管的開裂位置集中在距離直焊縫300～400 mm的范圍內(nèi)，恰好位于鋼板卷板過程中的預(yù)彎區(qū)域。

加工普通鋼管時(shí)，預(yù)彎弧度不合適或長(zhǎng)度不足會(huì)導(dǎo)致管體在局部位置形成應(yīng)力集中，但普通鋼管強(qiáng)度低，應(yīng)力集中程度不明顯。BMS1400鋼板強(qiáng)度是普通鋼板的3～4倍，預(yù)彎弧度不合適或預(yù)彎長(zhǎng)度不足，滾圓時(shí)鋼板預(yù)彎區(qū)域?qū)a(chǎn)生不均勻變形，形成應(yīng)力集中。另外，BMS1400鋼板強(qiáng)度較高，變形回彈量高于普通板材，卷板時(shí)需要根據(jù)回彈量保持適當(dāng)過彎以減少管體圓周方向的張應(yīng)力，要求卷板結(jié)束時(shí)兩側(cè)的縫隙寬度不能超過3 mm。實(shí)際操作中，過彎量不足常導(dǎo)致管體縫隙寬度過大，過大的縫隙寬度需要依靠外力將兩邊的鋼板強(qiáng)行并在一起進(jìn)行直縫焊接，在外力卸載后管體存在極大的張應(yīng)力，甚至超過焊縫強(qiáng)度，導(dǎo)致管道焊縫附近區(qū)域發(fā)生開裂。

鋼板預(yù)彎長(zhǎng)度不夠、預(yù)彎弧度與管體不一致和直縫焊之前管體縫隙寬度過大，均會(huì)使預(yù)彎區(qū)域存在較大的應(yīng)力集中，使管體在外力作用下萌生裂紋，微裂紋的存在進(jìn)一步促進(jìn)氫的擴(kuò)散滲透，從而形成應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂。

BMS1400鋼疏浚管表面劃傷也是開裂的一個(gè)重要誘因。通常，表面微小的劃傷容易在腐蝕環(huán)境中誘發(fā)管道開裂，導(dǎo)致材料迅速失效[11]。本試驗(yàn)中BMS1400鋼疏浚管表面的劃痕深度超過0.3 mm，且劃痕內(nèi)部可見數(shù)量眾多的微裂紋。在腐蝕環(huán)境中，管道表面劃傷區(qū)域容易形成局部應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋的形成，促進(jìn)氫的滲透擴(kuò)散，從而加速材料失效。

3 結(jié)論

(1) BMS1400鋼疏浚管的化學(xué)成分、硬度和低溫沖擊韌性均滿足技術(shù)要求，裂紋區(qū)域未見夾渣或夾雜物。

(2) 管道開裂屬于外力導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂，開裂原因包括應(yīng)力、海水腐蝕和氫元素。管道浸泡在海水中，存在氫的滲透擴(kuò)散，管道表面劃痕內(nèi)部的微裂紋進(jìn)一步誘發(fā)氫致開裂，導(dǎo)致管道在應(yīng)力集中位置處發(fā)生開裂。

(3) 管道開裂位置主要出現(xiàn)在鋼板卷取前的預(yù)彎區(qū)域，表明開裂與卷板工藝不規(guī)范有關(guān)。制管加工過程中，鋼板預(yù)彎長(zhǎng)度不足、預(yù)彎弧度不當(dāng)及過彎量不足均會(huì)導(dǎo)致管道在該區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，使管道在外力作用下發(fā)生開裂。