20鋼具有韌性好、塑性高、焊接性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)壓力管道中。某合成氨企業(yè)大量使用20鋼無(wú)縫承壓管道，其管路中一段彎頭在停車(chē)檢修過(guò)程中因碰撞發(fā)生瞬時(shí)環(huán)向斷裂現(xiàn)象，斷裂位置如圖1所示。

     該管路露天架空使用，設(shè)計(jì)壽命為20a，于2014年3月投入使用，在線運(yùn)行近9a，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》。斷裂彎頭為90°圓弧彎頭，規(guī)格為219mm×24mm（外徑× 壁厚），壁厚為24mm，彎曲半徑為438mm，彎管與直管焊接連接。管道設(shè)計(jì)壓力為16MPa，實(shí)際管內(nèi)壓力一般穩(wěn)定在13.5MPa，介質(zhì)溫度為23~27℃，介質(zhì)為醇后氣，其中N2的體積分?jǐn)?shù)為24.05%，H2的體積分?jǐn)?shù)為74.21%，CO 的體積分?jǐn)?shù)為0.5%，CO2的體積分?jǐn)?shù)為0.2%，CH4的體積分?jǐn)?shù)為1%，還含有微量甲醇。研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡（SEM）和能譜分析、力學(xué)性能測(cè)試、低倍檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)彎頭斷裂原因進(jìn)行分析，以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1、理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

     斷裂彎頭宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：彎頭內(nèi)、外表面氧化均較明顯，存在大量肉眼可見(jiàn)的氧化腐蝕坑；斷裂截面壁厚不均，外弧側(cè)減薄明顯，厚度最小處為19.6mm，減薄原因主要為彎制過(guò)程中的拉伸變形及使用過(guò)程中的沖刷、腐蝕減薄，內(nèi)弧側(cè)最厚為29.6mm，主要由彎制過(guò)程中的擠壓變形造成；斷裂位于彎頭45°處，斷裂位置無(wú)明顯宏觀變形，斷裂的兩段可拼合復(fù)原；斷口較為平齊，呈放射狀花樣，斷口處未見(jiàn)其他肉眼可見(jiàn)缺陷，斷口呈脆性斷裂特征；圖2b）中右側(cè)橢圓區(qū)域?yàn)橹髁鸭y源區(qū)，位于彎頭內(nèi)弧側(cè)的外表面，斷口上、下方的箭頭指示區(qū)域?yàn)榇瘟鸭y源區(qū)，箭頭方向指示裂紋的擴(kuò)展方向。

1.2 化學(xué)成分分析

      從彎頭斷口附近截取試樣，用火花原子發(fā)射光譜儀和氧氮?dú)浞治鰞x對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu、V等元素成分均符合GB 6479—2013的要求，N元素含量高于GB 6479—2013的要求。

1.3 掃描電鏡（SEM）和能譜分析

      在彎頭斷口裂紋源與裂紋擴(kuò)展區(qū)分別取樣，使用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口的開(kāi)裂方式主要為穿晶解理斷裂，各部位均未發(fā)現(xiàn)異常缺陷及原始裂紋區(qū)域。

      利用附帶的能譜儀對(duì)斷口裂紋源處進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口裂紋源處主要含有Fe、O元素，還有少量的Al、Si、K、Cr和Mo元素，未發(fā)現(xiàn)S、Cl等腐蝕性元素。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

     在彎頭斷口附近及與彎頭相連接的直管段分別截取橫向拉伸、橫向沖擊（V型缺口）及截面試樣，對(duì)這些試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：直管段力學(xué)性能均符合GB 6479—2013的要求；彎頭段的拉伸曲線欠規(guī)則，抗拉強(qiáng)度、塑性延伸強(qiáng)度明顯升高，斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求；彎頭的沖擊吸收能量明顯低于GB 6479—2013的要求。沖擊斷口平齊，無(wú)明顯塑性變形區(qū)，呈現(xiàn)閃亮的金屬小刻面脆斷特征，未發(fā)現(xiàn)裂紋、白點(diǎn)、分層、夾渣等缺陷。

1.5 低倍檢驗(yàn)

      在斷口附近截取試樣，將試樣置于鹽酸水溶液中，加熱至70℃，腐蝕20 min，快速刷洗、吹干試樣后觀察其低倍組織，結(jié)果如圖5所示：彎頭外弧側(cè)1號(hào)區(qū)域組織較均勻，為等軸細(xì)晶區(qū)；2 號(hào)區(qū)域組織粗大，存在枝晶偏析，為樹(shù)枝狀晶體組成的柱狀晶區(qū)；靠近內(nèi)壁3 號(hào)區(qū)域存在大量環(huán)形疏松，越靠近內(nèi)表面組織越差；未發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)、鼓包、微裂紋等氫損傷痕跡。

1.6 金相檢驗(yàn)

      在彎頭斷口內(nèi)表面處、裂紋源處、沖擊試樣斷口處分別截取試樣，將試樣研磨并拋光，再用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：內(nèi)表面處顯微組織為鐵素體+ 片狀珠光體+少量魏氏組織，魏氏組織評(píng)級(jí)為A 系列1級(jí)，存在帶狀組織；裂紋源處顯微組織為鐵素體+ 片狀珠光體，有極少量碳化物沿鐵素體晶界分布，組織基本正常；沖擊斷口處顯微組織為鐵素體+ 珠光體+ 少量魏氏組織，魏氏組織評(píng)級(jí)為A系列2級(jí)。說(shuō)明彎頭組織的均勻性較差，其顯微組織與熱酸浸試驗(yàn)后的低倍組織相吻合。

      在彎頭裂紋源處、沖擊試樣上截取縱向試樣，將試樣磨制、拋光，并置于光學(xué)顯微鏡下觀察，微觀貌如圖7所示。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行評(píng)級(jí)，裂紋源處為C類(lèi)（硅酸鹽類(lèi)）夾雜物評(píng)級(jí)為細(xì)系0.5級(jí)（C0.5），D 類(lèi)（球狀氧化物類(lèi)）夾雜物評(píng)級(jí)為細(xì)系1.5級(jí)（D1.5）；沖擊試樣為C類(lèi)（硅酸鹽類(lèi)）夾雜物評(píng)級(jí)為細(xì)系0.5級(jí)（C0.5），D類(lèi)（球狀氧化物類(lèi)）夾雜物評(píng)級(jí)為細(xì)系2.5級(jí)（D2.5）。彎頭中非金屬夾雜物數(shù)量較多，但尺寸較小，評(píng)級(jí)符合GB 6479—2013的要求。

2、綜合分析

      由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：彎頭材料在斷裂前已極度脆化，在一定外力作用下，彎頭發(fā)生脆性斷裂；彎管段硬度高于直管段，拉伸、沖擊性能明顯劣于直管段，這是因?yàn)槔浼庸ぷ冃螌?dǎo)致材料晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)增加，表現(xiàn)為其韌性、塑性大大降低，硬度升高。鋼管經(jīng)冷彎變形后發(fā)生一定的加工硬化，應(yīng)經(jīng)正確的熱處理后方可安裝使用。HG/T  20256—2016 《化工高壓管道通用技術(shù)規(guī)范》中要求，鋼管冷成型后，應(yīng)采取600~650 ℃的退火熱處理制度來(lái)有效消除加工過(guò)程產(chǎn)生的硬化和應(yīng)力。

      管坯或鋼管在生產(chǎn)加工過(guò)程中存在工藝、溫度控制不當(dāng)?shù)惹闆r，使材料產(chǎn)生魏氏組織和帶狀組織，進(jìn)一步降低了材料的塑性和沖擊韌性，加劇了管件的脆化。低倍組織顯示鋼管中存在大量環(huán)形疏松與枝晶偏析，由此可推斷：鋼管廠購(gòu)買(mǎi)的管坯存在較為明顯的中心疏松（低熔點(diǎn)雜質(zhì)和氣體造成），鋼管生產(chǎn)過(guò)程中，管坯因穿孔擠壓，形成大量環(huán)形疏松與樹(shù)枝狀晶，影響了鋼管組織的致密性，同時(shí)也降低了管件的橫向力學(xué)性能。

      彎頭中未發(fā)現(xiàn)氫含量異常，低倍檢驗(yàn)與金相檢驗(yàn)時(shí)也未發(fā)現(xiàn)氫損傷痕跡，且啟裂位置在彎頭外表面，而非接觸介質(zhì)的內(nèi)壁，因此可排除可能由介質(zhì)引起的氫脆現(xiàn)象。

      鑒于化工企業(yè)壓力管道極易發(fā)生重大安全事故，后對(duì)其他位置管道取樣檢測(cè)，經(jīng)查證，該牌號(hào)相同生成工藝的彎頭均存在該類(lèi)問(wèn)題，直管部分性能均符合標(biāo)準(zhǔn)。

3、結(jié)論與建議

    （1）管件材料本身存在魏氏組織，帶狀組織及明顯疏松、偏析等問(wèn)題，經(jīng)冷加工變形后未進(jìn)行正確的熱處理，劣化的材料與加工硬化現(xiàn)象共同導(dǎo)致了彎頭的脆化。極度脆化的鋼管受到一定的外力沖擊，從而造成其一次性脆性斷裂。

    （2）合成氨企業(yè)生產(chǎn)管路內(nèi)介質(zhì)多為高壓易燃易爆氣體，一旦管路發(fā)生問(wèn)題，可能造成極為嚴(yán)重的后果，管件安裝前應(yīng)確保材料合格，且已經(jīng)過(guò)正確的熱處理，服役過(guò)程中也應(yīng)進(jìn)行定期常規(guī)檢查，防止因載荷、壓力等原因造成管道斷裂甚至爆炸事故。

作者：張新占1，2，孫明華3，張道福3，臧偉1，2，喬廣通1，2，亓海濱1，2

單位：1. 山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院；

2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）機(jī)械工程學(xué)院；

3. 瑞星集團(tuán)股份有限公司。

來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第8期