输送流体用无缝钢管裂纹研究

引言无缝钢管用于输送石油、天然气、煤气、化学气体和水等液体,要求其具有高的抗氧化性能和耐腐蚀性能,并有良好的组织稳定性和耐持久强度。某Q345D输送流体3年后,局部发生爆裂,为了找出无缝钢管爆裂原因,避免类似事故再发生,笔者对该无缝钢管进行检验和分析。

理化检验

1化学成分分析

使用Spark直读光谱仪进行化学成分分析,检测结果见表1,可见该无缝钢管的化学成分符合GB/T8163-2018《输送流体用无缝钢管》对Q345D钢管化学成分的规定。

2冲击性能测试

依据GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》,采用JBS-300数显金属冲击试验机进行冲击性能检测,在爆裂钢管的裂口上端、下端和裂口处分别截取3组冲击样品进行检测,每组样品测3个冲击值。由于该钢管的厚度为7mm,无法制备标准样品,按GB/T8163-2018《输送流体用无缝钢管》的要求制备小试样,冲击试验样品尺寸为5mmx10mmx55mm,试验温度为-20℃,V型缺口冲击吸收功KV2标准值按递减系数0.5计算为10,检测结果见表2,可见爆裂钢管的冲击性能均满足GB/T8163-2018《输送流体用无缝钢管》的要求,但裂口处的冲击吸收功明显小于裂口的上下端部位。

3拉伸性能分析

在爆裂钢管上截取3根拉伸试验样,取样位置为裂口的上端、下端和裂口处,分别标识为样品12样品3,根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行检测,检测结果见表3,可见试验样品1和样品2的抗拉强度均满足GB/T8163-2018《输送流体用无缝钢管》的要求,而试验样品3抗拉强度明显不足。

4.4SEM扫描电镜分析

使用蔡司扫描电镜对开裂钢管的外表面、内表面和断面形貌进行分析。如图1可见,爆裂钢管的外表面和内表面有明显的龟裂裂纹,同时钢管的外表面和内表面都覆盖一层红褐色的锈垢,使用EDS能谱分析仪对锈垢进行分析,可知外表面和内表面的锈垢主要成分含量为氧和铁,还有少量的硅、钙、氢等元素,能谱分析结果见表4

如图2可见,爆裂钢管的断面有明显的非金属夹杂物颗粒,使用EDS能谱分析仪对夹杂物颗粒进行分析,发现碳含量较高,为碳化物颗粒,能谱分析结果见表5

分析讨论

由化学成分检测结果可知,该爆裂钢管化学成分符合GB/T8163-2018《输送流体用无缝钢管》的要求,裂口处的冲击性能虽然满足标准要求,但冲击吸收功明显小于裂口的上下端部位,裂口处的抗拉强度不满足标准要求。从爆裂钢管SEM扫描电镜和EDS能谱分析可知,该钢管的外表面和内表面有明显的龟裂裂纹,说明钢管长时间在高温条件下运行,局部已经开始出现老化,爆裂钢管的外表面和内表面均覆盖一层红褐色铁锈,使用EDS能谱分析仪对锈垢进行分析,可知外表面和内表面的锈垢主要成分含量为氧和铁,还有少量的硅、钙和氢等元素,主要是钢管常年暴露在大气中氧化腐蚀和输送高温蒸汽和化学气体所形成的氧化铁铁锈"。断面处有明显的碳化物颗粒析出,是由于管道在高温蒸汽输送过程中形成的碳化物析出相,碳化物的聚集造成碳化物颗粒周边基体的碳含量降低,基体的强度也随之下降。同时碳化物的聚集又会导致应力集中,加速裂纹的萌生和扩展。该输送流体用无缝钢管在高温蒸汽和化学气体的常年氧化腐蚀下,裂口处内表面形成大量的氧化物,碳化物析出,基体碳含量逐步减少,钢管耐持久强度降低,而在高温蒸汽的热应力作用下,内表面被腐蚀的基体缺陷处和碳化物聚集区都可能首先萌生裂纹,随着基体强度的下降,加速裂纹的快速扩展,最终发生热应力腐蚀裂。

结论

造成0345D输送流体用无缝钢管开裂的主要原因是该钢管长时间在高温蒸汽条件下运行,从局部开始老化,碳化物的析出造成基体碳含量减少,强度不断降低,再加之高温蒸汽和化学气体的常年氧化腐蚀,在内表面被腐蚀的基体缺陷处和碳化物聚集区首先萌生裂纹,随着裂纹的扩展,最终发生热应力腐蚀开裂。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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