石化裝置異徑三通管件泄漏原因

顧寶蘭, 于海洋, 李修能, 徐 彤

(中國特種設備檢測研究院, 北京 100029)

三通管件作為一種用于管道分支的連接部件是管道系統中重要的結構件, 由于自身結構較為特別, 其本身存在較高的結構應力。在服役過程中,三通管件的受力情況要比直管復雜得多, 是管道系統中的薄弱環節之一, 其質量狀況對管線安全營運有重要的影響[1-2]。

某石化裝置管道在投產前進行水壓試驗時，發現一個無縫異徑三通管件發生泄漏，泄漏位置如圖1所示。三通管件材料為P11鋼，規格為DN150×100SCH40，三通管件采用冷擠壓成型，成型后進行了正火+回火處理。為查明三通管件失效原因，防止此類問題再次發生，筆者對該三通管件進行了檢驗及分析，找到了該三通管件發生泄漏的主要原因，并提出了相應的措施和建議。

圖1 泄漏異徑三通管件宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the leaked reducing tee pipe fitting

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對失效三通管件泄漏部位進行宏觀觀察，可見在小管過渡徑處有長約6.5 cm的一條裂紋，裂紋較平直，裂紋走向與小徑管軸向呈約45°，裂紋周圍沒有明顯塑性變形，也沒發現機械損傷或其他宏觀缺陷，如圖2所示。將三通管件切割剖開后，對內壁裂紋形貌進行觀察，發現內壁銹蝕較嚴重，但裂紋處沒發現局部腐蝕或其他明顯宏觀缺陷，如圖3所示。

圖2 外壁裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the crack outer wall

圖3 內壁裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the crack inter wall

1.2 化學成分分析

在失效三通管件的直管段上切取試樣，按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》，采用SPECTRO MAXx型直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果見表1。可見失效三通管件材料化學成分滿足ASME SA335—2010SpecificationforSeamlessFerriticAlloy-SteelPipeforHigh-TemperatureService對 P11鋼的成分要求。

表1 開裂異徑三通管件的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the cracked reducing tee pipe fitting (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

在失效三通管件的裂紋中部及裂紋端部分別切取截面金相試樣，觀察裂紋走向及擴展情況。切取的樣塊經過研磨、拋光和浸蝕后制成金相試樣，可以看到中間部位截取金相試樣的裂紋已經貫穿壁厚，如圖4a)所示，靠近裂紋端部截取的金相試樣裂紋未穿透壁厚，由外壁開始，向內壁延伸，主裂紋周圍沒有二次裂紋，如圖4b)所示。

圖4 未浸蝕態金相試樣中的裂紋形貌Fig.4 Crack morphology in non-etched metallographic samples:a) middle of crack; b) tip of crack

在金相顯微鏡下對金相試樣進行觀察，如圖5～圖6所示。可見裂紋的耦合性較差，除主裂紋外，部分位置存在其他線性缺陷，縫隙內有氧化物，如圖5a)所示；且裂紋兩側的組織存在一定組織偏析，該處組織晶粒細小，晶粒內分布有彌散碳化物，且組織有脫碳現象，如圖5b)所示；遠離裂紋位置組織為鐵素體+珠光體，球狀碳化物，如圖5c)所示。由裂紋端部位置取截面樣品的顯微組織形貌可以看出，整個裂紋張口較寬，尖端圓鈍，縫隙內存在氧化物，如圖6a)所示；距裂紋尖端約1 mm范圍內分布著具有一定寬度的細小析出物條帶，也就是說該處存在組織偏析。失效三通管件的小管段未開裂側過渡徑位置和直管段位置的顯微組織形貌如圖7所示，小管過渡徑位置處顯微組織為鐵素體+珠光體，如圖7a)所示；而直管段位置處顯微組織為鐵素體+貝氏體，還有部分奧氏體化后形成的細晶粒珠光體，如圖7b)中箭頭處所示。該失效三通管件不同位置的顯微組織不同，說明三通管件在冷成型后進行的正火+回火處理過程中，正火溫度沒有達到規定要求。

圖5 裂紋中部不同位置的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of different positions in the middle of the crack:a) around the crack; b) segregation on both sides of the crack; c) far away from the crack

圖6 裂紋端部顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the crack tip: a) the crack tip; b) fine precipitation zone

圖7 遠離裂紋處不同位置顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology at different positions away from the crack:a) transition diameter on the other side；b) straight pipe section

1.4 裂紋斷口及能譜分析

在裂紋另一端部切取試樣，采用機械方式將裂紋打開，觀察裂紋斷口形貌特征，如圖8所示。可以看到試驗室打開斷口呈亮灰白色的金屬色，原始裂紋打開的斷口為褐色，表面嚴重氧化，斷口邊緣形貌呈圓弧形不規則形狀，且不規則的部分連接內壁和外壁，貫穿整個壁厚，但斷口特征并沒有裂紋擴展過程形成的連續性，其特征類似制管時產生的折疊缺陷形貌。

圖8 斷口宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of the fracture

將斷口置于掃描電鏡(SEM)下進行觀察，可見斷口表面為完全平整的表面，其形貌特征并沒有金屬斷裂時產生的形貌特征，如圖9a)所示。可見微觀形貌也驗證了宏觀觀察的結果，該裂紋的產生是因為此處存在原始缺陷。原始斷口與試驗室打開斷口分界線如圖9b)中所示，可見試驗室打開金屬斷口形貌為典型解理形貌。

圖9 不同位置斷口微觀形貌Fig.9 Micro morphology of fracture at different positions: a) at original crack fracture; b) boundary between original fracture and laboratory open fracture

對斷口表面腐蝕產物進行能譜分析，分析結果顯示斷口表面產物主要為鐵的氧化物，如圖10所示。對裂紋縫隙內的條狀產物進行能譜分析，結果表明該產物含有氧、硫、鈣、鐵、鉻等元素，如圖11所示。其中氧元素來自氧化物，鐵、鉻均為基體元素，硫和鈣元素應為在鋼管制造過程中產生的雜質元素，也就是說在裂紋內部的條形產物為鑄造產生的夾雜(渣)。

圖10 斷口表面腐蝕產物能譜分析位置及分析結果Fig.10 Energy spectrum a) analysis position and b) analysis result of corrosion products on the fracture surface

圖11 裂紋內部夾雜物能譜分析位置及分析結果Fig.11 Energy spectrum analysis positions and results of inclusions in the crack:a) analysis position 1; b) analysis result 1; c) analysis position 2; d) analysis result 2

1.5 力學性能試驗

在失效三通管件的小管段未開裂側過渡管徑位置和直管段位置分別取拉伸、沖擊及硬度試樣，進行常溫拉伸和沖擊試驗，試驗結果如表2所示。可見不同位置的拉伸和沖擊性能數據基本一致，且都滿足ASME SA335—2010對P11鋼力學性能的要求。

表2 異徑三通管件不同部位的力學性能試驗結果Tab.2 Mechanical properties test results of different parts of the reducing tee pipe fitting

在裂紋附近的過渡管徑處及遠離裂紋的直管段位置處分別進行布氏硬度測試，測試結果見表3。結果表明，不同位置的硬度不均勻，在三通管件變徑處硬度偏高，接近小管端部的硬度與遠離裂紋位置的硬度較低。

表3 異徑三通管件不同位置的布氏硬度測試結果Tab.3 Brinell hardness test results of the reducing tee pipe fitting at different positions HBW2.5

2 分析與討論

失效三通管件材料化學成分和力學性能均符合ASME SA 335—2010對P11鋼的技術要求。從金相檢驗和斷口分析結果來看，裂紋兩側及裂紋尖端位置處組織均存在偏析，且裂紋內有條狀物，能譜分析結果顯示該物中除有基體元素鐵和鉻的氧化物外，同時還有硫、鈣等雜質元素，說明在裂紋處存在鑄造時產生的原始夾雜(渣)。從裂紋打開后斷口形貌特征來看，該開裂并非金屬基體斷裂產生的形貌，而是類似折疊缺陷的形貌特征，且缺陷貫穿了整個壁厚。折疊缺陷是在金屬變形流動過程中，由已被氧化過的金屬匯合在一起而形成的，常見形狀是存在于軋件一側的貫穿材料全長的折疊、在軋件兩邊相對稱的側面上貫穿全長的折疊或存在于鍛軋件全長上的(斷續的、分散的)折疊等。折疊橫截面顯微組織一般具有以下特征：折疊與其周圍金屬流線方向一致；折疊尾端一般呈小圓角或雞爪形；對于碳鋼，兩側則一般有氧化、脫碳現象，隨組織流線擠壓或局部成分偏析[3]。

上述開裂部位的斷口形貌特征及金相分析均符合折疊的特點。裂紋的形成主要是源于原管坯上的夾雜(渣)和折疊缺陷，在三通管件冷擠壓過程中，缺陷也同時隨金屬擠壓發生了變形，穿透了整個壁厚，也就是說裂紋在三通管件冷擠壓過程中已經產生。

該失效三通管件采用冷擠壓成型工藝，三通管件進行冷擠壓成型過程中，過渡徑部位是高應力區，也是變形量最大的部位[4-5]，金相檢驗及硬度測量結果均表明該失效三通管件的組織和硬度均存在不均勻現象，且過渡徑位置硬度偏高，說明三通管件冷擠壓成型后在進行最終的正火+回火熱處理時，沒有達到熱處理工藝標準要求，沒有消除冷擠壓時形成的材料冷作硬化。冷擠壓三通管件主管與支管過渡區域是其結構的薄弱環節, 也是三通管件質量控制的重要關鍵點之一, 采用這種工藝生產的三通管件必須及時消除應力，防止發生脆性開裂[6]。

3 結論及建議

該失效三通管件本身存在鑄造夾雜(渣)和制管產生的折疊缺陷，在冷擠壓過程中沿原始缺陷在變形量最大的過渡徑部位已經開裂，因而在后續水壓試驗時發生泄漏。

為避免此類問題的發生，建議加強對三通管件原始管坯的出廠檢驗，同時嚴格控制三通管件的成型工藝。