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            1. 輸送流體用無縫鋼管裂紋研究

              引言無縫鋼管用于輸送石油、天然氣、煤氣、化學氣體和水等液體,要求其具有高的抗氧化性能和耐腐蝕性能,并有良好的組織穩定性和耐持久強度。某Q345D輸送流體3年后,局部發生爆裂,為了找出無縫鋼管爆裂原因,避免類似事故再發生,筆者對該無縫鋼管進行檢驗和分析。

              理化檢驗

              1化學成分分析

              使用Spark直讀光譜儀進行化學成分分析,檢測結果見表1,可見該無縫鋼管的化學成分符合GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》對Q345D鋼管化學成分的規定。

              2沖擊性能測試

              依據GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》,采用JBS-300數顯金屬沖擊試驗機進行沖擊性能檢測,在爆裂鋼管的裂口上端、下端和裂口處分別截取3組沖擊樣品進行檢測,每組樣品測3個沖擊值。由于該鋼管的厚度為7mm,無法制備標準樣品,按GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》的要求制備小試樣,沖擊試驗樣品尺寸為5mmx10mmx55mm,試驗溫度為-20℃,V型缺口沖擊吸收功KV2標準值按遞減系數0.5計算為10,檢測結果見表2,可見爆裂鋼管的沖擊性能均滿足GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》的要求,但裂口處的沖擊吸收功明顯小于裂口的上下端部位。

              3拉伸性能分析

              在爆裂鋼管上截取3根拉伸試驗樣,取樣位置為裂口的上端、下端和裂口處,分別標識為樣品12樣品3,根據GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》進行檢測,檢測結果見表3,可見試驗樣品1和樣品2的抗拉強度均滿足GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》的要求,而試驗樣品3抗拉強度明顯不足。

              4.4SEM掃描電鏡分析

              使用蔡司掃描電鏡對開裂鋼管的外表面、內表面和斷面形貌進行分析。如圖1可見,爆裂鋼管的外表面和內表面有明顯的龜裂裂紋,同時鋼管的外表面和內表面都覆蓋一層紅褐色的銹垢,使用EDS能譜分析儀對銹垢進行分析,可知外表面和內表面的銹垢主要成分含量為氧和鐵,還有少量的硅、鈣、氫等元素,能譜分析結果見表4。

              如圖2可見,爆裂鋼管的斷面有明顯的非金屬夾雜物顆粒,使用EDS能譜分析儀對夾雜物顆粒進行分析,發現碳含量較高,為碳化物顆粒,能譜分析結果見表5。

              分析討論

              由化學成分檢測結果可知,該爆裂鋼管化學成分符合GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》的要求,裂口處的沖擊性能雖然滿足標準要求,但沖擊吸收功明顯小于裂口的上下端部位,裂口處的抗拉強度不滿足標準要求。從爆裂鋼管SEM掃描電鏡和EDS能譜分析可知,該鋼管的外表面和內表面有明顯的龜裂裂紋,說明鋼管長時間在高溫條件下運行,局部已經開始出現老化,爆裂鋼管的外表面和內表面均覆蓋一層紅褐色鐵銹,使用EDS能譜分析儀對銹垢進行分析,可知外表面和內表面的銹垢主要成分含量為氧和鐵,還有少量的硅、鈣和氫等元素,主要是鋼管常年暴露在大氣中氧化腐蝕和輸送高溫蒸汽和化學氣體所形成的氧化鐵鐵銹"。斷面處有明顯的碳化物顆粒析出,是由于管道在高溫蒸汽輸送過程中形成的碳化物析出相,碳化物的聚集造成碳化物顆粒周邊基體的碳含量降低,基體的強度也隨之下降。同時碳化物的聚集又會導致應力集中,加速裂紋的萌生和擴展。該輸送流體用無縫鋼管在高溫蒸汽和化學氣體的常年氧化腐蝕下,裂口處內表面形成大量的氧化物,碳化物析出,基體碳含量逐步減少,鋼管耐持久強度降低,而在高溫蒸汽的熱應力作用下,內表面被腐蝕的基體缺陷處和碳化物聚集區都可能首先萌生裂紋,隨著基體強度的下降,加速裂紋的快速擴展,最終發生熱應力腐蝕裂。

              結論

              造成0345D輸送流體用無縫鋼管開裂的主要原因是該鋼管長時間在高溫蒸汽條件下運行,從局部開始老化,碳化物的析出造成基體碳含量減少,強度不斷降低,再加之高溫蒸汽和化學氣體的常年氧化腐蝕,在內表面被腐蝕的基體缺陷處和碳化物聚集區首先萌生裂紋,隨著裂紋的擴展,最終發生熱應力腐蝕開裂。

              文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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