分享：20G无缝钢管开裂原因

杨文静1,薛俊鹏1,樊孝文1,温 娟2,蔡双雨3

[1.安工腐蚀检测实验室科技(无锡)有限公司,无锡 214028;2.首钢技术研究院,北京 100041; 3.北京科技大学 国家材料服役安全科学中心,北京 100083] 

摘 要:某20G 无缝钢管在服役一段时间后发生开裂,采用化学成分分析、硬度测试、金相检验、 扫描电镜和能谱分析等方法分析其开裂原因。结果表明:该20G 无缝钢管内表面发生严重脱碳, 且脱碳原因与穿孔和连轧工艺有关。 

关键词:20G 无缝钢管;腐蚀;脱碳;开裂 中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)12-0047-04

20G 无缝钢管属于高压锅炉管,是一种具有中 空截面、周边没有接缝的长条钢材,在锅炉管道、输 油管道、天然气管道、煤气管道等方面广泛应用[1-5]。 20G 无缝钢管常期处于高压、高温的环境,在高温烟 气和水蒸气的作用下,钢管会发生氧化和腐蚀等损 伤,因此对钢管的持久强度、抗氧化腐蚀及组织稳定 性有较高的要求[6]。在不同温度及介质的情况下, 钢管容易发生脱碳,使钢管壁上受到不同程度的腐 蚀,从而缩短管道的使用寿命。有研究发现:20G 无 缝钢管的开裂不是材料造成的,而是水质较差导致 的[7]。除此之外,热应力也会加剧钢管材料的局部 损伤,导致爆管[8]。 管道在服役4a后发生开裂,该管段的服役环 境为:内部介质为除盐水,温度约为200 ℃,压力约 为5MPa;外部介质为烟气,温度约为300 ℃,且常 年恒定。笔者采用一系列理化检验方法对其开裂原 因进行分析,以防止该类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察 

图1 1号管段宏观形貌 送检20G 无缝钢管的外径为25mm,原壁厚为 5mm,共3段。1号管段内、外壁均腐蚀严重,已出 现变薄和开裂现象(见图1);2号管段内壁腐蚀严重,外壁腐蚀稍轻(见图2);3号管段为未服役管段 (见图3)。 图2 2号管段宏观形貌 图3 3号管段宏观形貌

1.2 化学成分分析 根据 GB/T4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多 元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》 对钢管进行化学成分分析,在温度为26 ℃,湿度为 35%的环境下检测。3个管段的化学成分分析结果如 表1所示,由表1可以看出,送检钢管的化学成分符合 GB/T5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的要求。 表1 3个管段的化学成分分析结果 % 项目 质量分数 C Si Mn P S 1号管段实测值 0.18 0.27 0.58 0.02 0.010 2号管段实测值 0.20 0.21 0.51 0.02 0.005 3号管段实测值 0.21 0.26 0.43 0.01 0.010 标准值 0.17~ 0.23 0.17~ 0.37 0.35~ 0.63 ≤0.025 ≤0.035 根据 GB6920—1986《水质 PH 值的测定 玻璃 电极法》和 GB/T15453—2018《工业循环冷却水和 锅炉用水中氯离子的测定》对内部介质水样的化学 成分进行分析,在温度为20 ℃,湿度为30%的环境 下进行检测。内部介质水样的pH 为6.76,Cl - 的密 度小于3mg/L,结果均符合技术要求。

1.3 硬度测试

根据 GB/T231.1—2018 《金属材料 布氏硬度 试验 第1部分:试验方法》对钢管进行硬度测试。 受形状和尺寸的限制,仅能从管体截面进行硬度测 试,虽然测试尺寸略微偏小,但根据经验,硬度结果 在不作为关键性判据的情况下,仍可作为参考。测 试结果如表2所示,由表2可以看出,钢管的布氏硬 度比 GB/T5310—2017标准的要求高。

1.4 金相检验 

对1号管段的开裂部位进行金相检验,微观形 貌如图4,5所示。由图4,5可以看出:1号管段开 裂部位明显变薄,最薄处只有0.15mm,而管段原壁 厚为5mm,可见钢管在开裂之前已经在内部水的 压力下不断被拉伸并减薄,且管段内侧较外侧腐蚀 更严重。内表面腐蚀区域覆盖着厚度约为0.15mm 的氧化铁皮和腐蚀产物。推测管断的开裂过程是内 表面最先开始受力,然后逐渐被拉伸减薄。

对2 号 和 3 号 管 段 进 行 金 相 检 验,结 果 如 图6~8所示。可以看出,20G 钢的基体组织为铁素 体和珠光体,在1号、2号、3号管段的内表面均有明 显的脱碳现象。服役后的管段脱碳层深度较深,且 完全脱碳,脱碳处组织为单一的铁素体,并伴随着晶 粒长大,脱碳层深度约为177μm;3号管段内表面 也存 在 脱 碳,脱 碳 层 深 度 约 为 123 μm;3 个 管 段的外表面也存在脱碳,相比内表面,脱碳深度较 图6 2号管段漏洞部位显微组织形貌 图7 3号未服役管段的显微组织形貌(内壁) 浅,脱碳层深度约为68μm。由此可知,管段在未服 役之前存在脱碳现象。脱碳能显著降低材料的硬 度、强度、耐腐蚀、耐热等性能。同时经测量,管段基 体铁素体晶粒度为8.5级,开裂处1号管段脱碳区 域的粗大铁素体晶粒度为5.5级。管段的夹杂物不 严重,主 要 为 A 类 细 系 1 级,D 类 细 系 1 级 (见 图9)。氧化物质点的微观形貌如图10所示。

1.5 扫描电镜和能谱分析 

对氧化物质点处进行扫描电镜(SEM)和能谱 分析,结果如图11和表3所示。 1号开裂管段内表面已经发生氧化,并存在微 裂纹,裂纹周围有很多高温氧化物质点。氧化物质 点沿晶界分布,使材料晶界弱化,降低了材料的力学 性能及抗腐蚀性能,高温质点是空气或钢中的氧元 素与钢中强氧化性的硅元素、锰元素结合,形成富集 硅元素、锰元素的氧化物颗粒。点状氧化物的形成 需要更高的温度和更长的时间,温度要达到9501200 ℃,时间至少大于0.5h。据此推测,内表面有 高温质点的微裂纹可能是材料原来就有的。

服役管段内 表 面 的 SEM 形 貌 如 图 12,13 所 示,可以看出,在腐蚀坑的尾部已萌生出微小裂纹, 裂纹沿晶扩展。 对服役管段表面的腐蚀产物进行扫描电镜及能 谱分析,结果如图13和表4所示,可知由于内表面 脱碳严重,其抗腐蚀能力大大降低,金属发生腐蚀 后,与水中的氧、钙、钠、镁元素等结合,形成了腐蚀 产物。 图12 服役管段内表面的SEM 形貌 图13 腐蚀产物能谱分析位置

2 综合分析和结论 

该服役管段的化学成分分析结果符合要求,其 基体组织正常,表面硬度稍高,但并不会影响管段的 使用。钢管开裂的主要原因为管段内表面存在严重 脱碳,导致其硬度、强度、耐腐蚀、耐热能力显著降 低,再加上管段内表面有高温氧化物质点,使钢管在 一定水压环境的使用过程中,受力超过其本身强度 极限,使管壁不断变薄并开裂。 20G 无缝钢管内表面的脱碳比外表面严重,这 主要与钢管的穿孔和连轧工艺有关。主要原因有: 穿孔速度不当造成内壁温度过高;内壁除氧化剂的 质量不佳;终轧温度偏高,内壁温度比外壁高。其服 役温度为200~300℃,在正常使用过程中不会发生 脱碳。 第50页) GB/T 5310—2017 规 定:外 壁 全 脱 碳 小 于 0.2mm,内壁全脱碳小于 0.3 mm,两者之和小于 0.4mm。未使用的3号管满足该项要求,而1,2号 管段在发生严重腐蚀减薄后,仍有非常严重的脱碳 情况发生,显然不满足此项要求。 建议相关使用方在采购及使用20G 无缝钢管 时,要求供货方严格质检,且 按 照 不 能 低 于 GB/T 5310—2017标准 的 要 求 供 货,如 使 用 条 件 特 别 苛 刻,可适当严格要求表面脱碳层指标。 

来源：材料与测试网