楊文靜1,薛俊鵬1,樊孝文1,溫 娟2,蔡雙雨3

[1.安工腐蝕檢測實驗室科技(無錫)有限公司,無錫 214028;2.首鋼技術研究院,北京 100041; 3.北京科技大學 國家材料服役安全科學中心,北京 100083]

摘 要:某20G 無縫鋼管在服役一段時間后發生開裂,采用化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、 掃描電鏡和能譜分析等方法分析其開裂原因。結果表明:該20G 無縫鋼管內表面發生嚴重脫碳, 且脫碳原因與穿孔和連軋工藝有關。

關鍵詞:20G 無縫鋼管;腐蝕;脫碳;開裂 中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)12-0047-04

20G 無縫鋼管屬于高壓鍋爐管,是一種具有中 空截面、周邊沒有接縫的長條鋼材,在鍋爐管道、輸 油管道、天然氣管道、煤氣管道等方面廣泛應用[1-5]。 20G 無縫鋼管常期處于高壓、高溫的環境,在高溫煙 氣和水蒸氣的作用下,鋼管會發生氧化和腐蝕等損 傷,因此對鋼管的持久強度、抗氧化腐蝕及組織穩定 性有較高的要求[6]。在不同溫度及介質的情況下, 鋼管容易發生脫碳,使鋼管壁上受到不同程度的腐 蝕,從而縮短管道的使用壽命。有研究發現:20G 無 縫鋼管的開裂不是材料造成的,而是水質較差導致 的[7]。除此之外,熱應力也會加劇鋼管材料的局部 損傷,導致爆管[8]。 管道在服役4a后發生開裂,該管段的服役環 境為:內部介質為除鹽水,溫度約為200 ℃,壓力約 為5MPa;外部介質為煙氣,溫度約為300 ℃,且常 年恒定。筆者采用一系列理化檢驗方法對其開裂原 因進行分析,以防止該類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1 1號管段宏觀形貌 送檢20G 無縫鋼管的外徑為25mm,原壁厚為 5mm,共3段。1號管段內、外壁均腐蝕嚴重,已出 現變薄和開裂現象(見圖1);2號管段內壁腐蝕嚴重,外壁腐蝕稍輕(見圖2);3號管段為未服役管段 (見圖3)。 圖2 2號管段宏觀形貌 圖3 3號管段宏觀形貌

1.2 化學成分分析 根據 GB/T4336—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)》 對鋼管進行化學成分分析,在溫度為26 ℃,濕度為 35%的環境下檢測。3個管段的化學成分分析結果如 表1所示,由表1可以看出,送檢鋼管的化學成分符合 GB/T5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。 表1 3個管段的化學成分分析結果 % 項目 質量分數 C Si Mn P S 1號管段實測值 0.18 0.27 0.58 0.02 0.010 2號管段實測值 0.20 0.21 0.51 0.02 0.005 3號管段實測值 0.21 0.26 0.43 0.01 0.010 標準值 0.17~ 0.23 0.17~ 0.37 0.35~ 0.63 ≤0.025 ≤0.035 根據 GB6920—1986《水質 PH 值的測定 玻璃 電極法》和 GB/T15453—2018《工業循環冷卻水和 鍋爐用水中氯離子的測定》對內部介質水樣的化學 成分進行分析,在溫度為20 ℃,濕度為30%的環境 下進行檢測。內部介質水樣的pH 為6.76,Cl - 的密 度小于3mg/L,結果均符合技術要求。

1.3 硬度測試

根據 GB/T231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度 試驗 第1部分:試驗方法》對鋼管進行硬度測試。 受形狀和尺寸的限制,僅能從管體截面進行硬度測 試,雖然測試尺寸略微偏小,但根據經驗,硬度結果 在不作為關鍵性判據的情況下,仍可作為參考。測 試結果如表2所示,由表2可以看出,鋼管的布氏硬 度比 GB/T5310—2017標準的要求高。

1.4 金相檢驗

對1號管段的開裂部位進行金相檢驗,微觀形 貌如圖4,5所示。由圖4,5可以看出:1號管段開 裂部位明顯變薄,最薄處只有0.15mm,而管段原壁 厚為5mm,可見鋼管在開裂之前已經在內部水的 壓力下不斷被拉伸并減薄,且管段內側較外側腐蝕 更嚴重。內表面腐蝕區域覆蓋著厚度約為0.15mm 的氧化鐵皮和腐蝕產物。推測管斷的開裂過程是內 表面最先開始受力,然后逐漸被拉伸減薄。

對2 號 和 3 號 管 段 進 行 金 相 檢 驗,結 果 如 圖6~8所示。可以看出,20G 鋼的基體組織為鐵素 體和珠光體,在1號、2號、3號管段的內表面均有明 顯的脫碳現象。服役后的管段脫碳層深度較深,且 完全脫碳,脫碳處組織為單一的鐵素體,并伴隨著晶 粒長大,脫碳層深度約為177μm;3號管段內表面 也存 在 脫 碳,脫 碳 層 深 度 約 為 123 μm;3 個 管 段的外表面也存在脫碳,相比內表面,脫碳深度較 圖6 2號管段漏洞部位顯微組織形貌 圖7 3號未服役管段的顯微組織形貌(內壁) 淺,脫碳層深度約為68μm。由此可知,管段在未服 役之前存在脫碳現象。脫碳能顯著降低材料的硬 度、強度、耐腐蝕、耐熱等性能。同時經測量,管段基 體鐵素體晶粒度為8.5級,開裂處1號管段脫碳區 域的粗大鐵素體晶粒度為5.5級。管段的夾雜物不 嚴重,主 要 為 A 類 細 系 1 級,D 類 細 系 1 級 (見 圖9)。氧化物質點的微觀形貌如圖10所示。

1.5 掃描電鏡和能譜分析

對氧化物質點處進行掃描電鏡(SEM)和能譜 分析,結果如圖11和表3所示。 1號開裂管段內表面已經發生氧化,并存在微 裂紋,裂紋周圍有很多高溫氧化物質點。氧化物質 點沿晶界分布,使材料晶界弱化,降低了材料的力學 性能及抗腐蝕性能,高溫質點是空氣或鋼中的氧元 素與鋼中強氧化性的硅元素、錳元素結合,形成富集 硅元素、錳元素的氧化物顆粒。點狀氧化物的形成 需要更高的溫度和更長的時間,溫度要達到9501200 ℃,時間至少大于0.5h。據此推測,內表面有 高溫質點的微裂紋可能是材料原來就有的。

服役管段內 表 面 的 SEM 形 貌 如 圖 12,13 所 示,可以看出,在腐蝕坑的尾部已萌生出微小裂紋, 裂紋沿晶擴展。 對服役管段表面的腐蝕產物進行掃描電鏡及能 譜分析,結果如圖13和表4所示,可知由于內表面 脫碳嚴重,其抗腐蝕能力大大降低,金屬發生腐蝕 后,與水中的氧、鈣、鈉、鎂元素等結合,形成了腐蝕 產物。 圖12 服役管段內表面的SEM 形貌 圖13 腐蝕產物能譜分析位置

2 綜合分析和結論

該服役管段的化學成分分析結果符合要求,其 基體組織正常,表面硬度稍高,但并不會影響管段的 使用。鋼管開裂的主要原因為管段內表面存在嚴重 脫碳,導致其硬度、強度、耐腐蝕、耐熱能力顯著降 低,再加上管段內表面有高溫氧化物質點,使鋼管在 一定水壓環境的使用過程中,受力超過其本身強度 極限,使管壁不斷變薄并開裂。 20G 無縫鋼管內表面的脫碳比外表面嚴重,這 主要與鋼管的穿孔和連軋工藝有關。主要原因有: 穿孔速度不當造成內壁溫度過高;內壁除氧化劑的 質量不佳;終軋溫度偏高,內壁溫度比外壁高。其服 役溫度為200~300℃,在正常使用過程中不會發生 脫碳。 第50頁) GB/T 5310—2017 規 定:外 壁 全 脫 碳 小 于 0.2mm,內壁全脫碳小于 0.3 mm,兩者之和小于 0.4mm。未使用的3號管滿足該項要求,而1,2號 管段在發生嚴重腐蝕減薄后,仍有非常嚴重的脫碳 情況發生,顯然不滿足此項要求。 建議相關使用方在采購及使用20G 無縫鋼管 時,要求供貨方嚴格質檢,且 按 照 不 能 低 于 GB/T 5310—2017標準 的 要 求 供 貨,如 使 用 條 件 特 別 苛 刻,可適當嚴格要求表面脫碳層指標。

來源：材料與測試網