高壓化肥用不銹鋼無(wú)縫鋼管彎制斷裂事件分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司針對(duì)高壓化肥設(shè)備用不銹鋼無(wú)縫鋼管彎制過(guò)程中突然斷裂的情況，從外觀尺寸、化學(xué)成分和力學(xué)性能、金相組織、冷彎硬化及熱處理等方面分析了原因；并探討了GB/T14976-2012制造的304不銹鋼無(wú)縫鋼管局限性。對(duì)彎制前鋼管進(jìn)行正火處理后．低溫沖擊功上升到，彎管再未發(fā)生斷裂。認(rèn)為若未嚴(yán)格正火處理（或終軋溫度不符合正火溫度或未經(jīng)空冷），用于高壓系統(tǒng)會(huì)潛在一定的安全隱患：用戶訂購(gòu)高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管時(shí)應(yīng)采用2012年7月1日實(shí)施的GB/T14976-2012，化工企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管的重視，對(duì)庫(kù)存或設(shè)備改造的舊鋼管更應(yīng)謹(jǐn)慎使用。至德鋼業(yè)發(fā)現(xiàn)在一次彎制高壓化肥設(shè)備用不銹鋼無(wú)縫鋼管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高化管”）彎頭時(shí)，制作過(guò)程中彎頭突然斷裂。彎制工藝為冷彎成形。彎頭中273ｍｍｘ40ｍｍ、半徑為3D、材質(zhì)為304不銹鋼。高化管內(nèi)部承受高壓、高溫，且管內(nèi)介質(zhì)是易燃、易爆、有毒有害的氣體，一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想，因此，對(duì)高化管在彎制時(shí)發(fā)生斷裂的研究很有必要。

一、事件概況

   高化管的彎制作業(yè)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為7℃，當(dāng)彎頭彎到300時(shí)崩裂，斷裂口源于彎頭的外弧側(cè)，從外弧中心線開(kāi)裂，然后沿橫向兩側(cè)擴(kuò)展至全截面．外弧側(cè)至中性區(qū)有一撕裂15貫穿內(nèi)外壁，整個(gè)斷口周?chē)鸁o(wú)原始裂紋源、折疊、結(jié)疤和離層等缺陷，斷口呈平坦，系拉應(yīng)力引起的脆性斷裂．可見(jiàn)材料的塑性和韌性很差，再加上低溫環(huán)境下冷彎變形引起的加工硬化，使材料塑性和韌性進(jìn)一步降低，脆性大大增加。材料的微小缺陷因應(yīng)力集中而擴(kuò)展開(kāi)裂成裂紋，而且裂紋前沿處于平面應(yīng)變狀態(tài)，脆斷所需的能量很小，因此彎管無(wú)須承受大的張開(kāi)應(yīng)力即發(fā)生脆性斷裂。

二、原因分析

 1. 尺寸檢查

    沿彎頭斷口檢查不同位置的壁厚，測(cè)量得知，彎頭中心線處壁厚與直管壁厚相近約為41ｍｍ，起彎處外弧壁厚最小值為39.1ｍｍ，減薄量為4.6％；內(nèi)弧壁厚最大值為42，增加量為2.7％。由此可見(jiàn)，彎頭的內(nèi)外弧壁厚變化符合GB/T 20801-2006和GB/T12459-2005等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。但與以往相同彎制工藝下該規(guī)格管材起彎處外弧6％減薄量的經(jīng)驗(yàn)值相比偏低，說(shuō)明材料脆、塑性不佳。

 2. 化學(xué)成分和力學(xué)性能

    實(shí)測(cè)直管段化學(xué)成分、力學(xué)性能數(shù)據(jù)與GB/T14976-2012標(biāo)準(zhǔn)值比較見(jiàn)表。表數(shù)據(jù)顯示，管材化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合GB/T14976-2012標(biāo)準(zhǔn)，但斷后伸長(zhǎng)率較低且Ｖ形缺口沖擊值僅為8／8／9，說(shuō)明不銹鋼無(wú)縫鋼管未經(jīng)正火處理，材料對(duì)動(dòng)態(tài)載荷敏感性強(qiáng)、對(duì)裂紋的抗撕裂能力差。

 3. 金相檢查

   在直管段上取金相試樣，檢測(cè)結(jié)果：顯微組織為魏氏組織＋塊狀鐵素體＋塊狀細(xì)片珠光體；晶粒度6級(jí)；非金屬夾雜物等于2.5級(jí)。可以推斷不銹鋼無(wú)縫鋼管熱加工時(shí)溫度控制不當(dāng)或加熱不均使材料超溫產(chǎn)生了奧氏體組織，奧氏體組織的出現(xiàn)直接導(dǎo)致材料機(jī)械性能惡化，嚴(yán)重降低了鋼的沖擊韌性，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合：非金屬夾雜物等級(jí)為GB/T14976-2012標(biāo)準(zhǔn)要求“不大于2.5級(jí)”的極限值，這也影響了鋼的機(jī)械性能，特別是降低了塑性、韌性及疲勞極限。

 4. 冷彎硬化及熱處理

   因彎制丁藝為冷彎，彎頭內(nèi)外弧的塑性變形會(huì)引起冷作硬化作用，鑒于彎頭外圓弧變形量最大（加工硬化最嚴(yán)重），故在外圓弧處截取對(duì)稱(chēng)的3份樣本，第1份不做熱處理，第2份做650℃保溫2小時(shí)退火處理，第3份做正火處理，分別做力學(xué)性能檢測(cè)。沖擊缺口為Ｖ型，數(shù)據(jù)見(jiàn)表。表數(shù)據(jù)顯示，鋼管冷彎后，金相結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變．冷作硬化非常顯著，力學(xué)性能不符合GB/T14976-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，過(guò)高的強(qiáng)度和硬度使材料在室溫下脆性大大增加；經(jīng)退火處理后應(yīng)力消除，力學(xué)性能有明顯改善，達(dá)到了GB/T14976-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，但抗沖擊能力仍很差；經(jīng)正火處理后各項(xiàng)性能指標(biāo)均明顯提高，特別是沖擊性能。

  目前不銹鋼無(wú)縫鋼管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅由兩家鋼鐵公司起草，現(xiàn)已實(shí)施十四年。隨著社會(huì)的發(fā)展，暴露出一定局限性，如該標(biāo)準(zhǔn)“表４”注：“熱軋管終軋溫度符合正火溫度時(shí)，可以代替正火”，很多鋼管廠憑此省略了304不銹鋼無(wú)縫鋼管的正火工藝：又如“表５”中沖擊功采用吸收功較高的Ｕ形缺口沖擊數(shù)據(jù)，而對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變敏感的Ｖ形缺口沖擊功在后面其他條款中“不作交貨條件”等。

  至德鋼業(yè)技術(shù)人員曾做過(guò)大量力學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證304不銹鋼無(wú)縫鋼管不經(jīng)正火處理會(huì)有一定的安全隱患，如江蘇某鋼管廠生產(chǎn)的304無(wú)縫管（交貨狀態(tài)為正火）和日本某公司生產(chǎn)的ST410無(wú)縫管（交貨狀態(tài)為軋態(tài)）219ｍｍｘ35ｍｍ鋼管做Ｖ型、Ｕ型缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表。數(shù)據(jù)顯示，國(guó)產(chǎn)管數(shù)據(jù)離散性較大，且無(wú)論Ｕ形缺口還是Ｖ形缺口沖擊值都比未經(jīng)熱處理的日產(chǎn)管低．說(shuō)明國(guó)產(chǎn)管的材料組織和成分不均勻，鋼管并未經(jīng)正火處理；在20℃以下Ｕ形缺口較Ｖ形缺口沖擊值大的多。根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)高化管進(jìn)行了正火處理，使鋼材的力學(xué)性能大幅提高，尤其是低溫沖擊功由原來(lái)5J上升到50J，彎管再未發(fā)生斷裂。

三、結(jié)束語(yǔ)

   通過(guò)以上彎管斷裂分析，按GB14976-2012制造的304不銹鋼無(wú)縫鋼管，若未嚴(yán)格正火處理（或終軋溫度不符合正火溫度或未經(jīng)空冷），材料組織和成分不均勻，其延伸率、韌性和抗沖擊性會(huì)很差，使用于高壓系統(tǒng)可能潛在一定的安全隱患：管道在彎制、運(yùn)輸、安裝、水壓實(shí)驗(yàn)、管道檢修時(shí)可能會(huì)受外力作用或者系統(tǒng)在啟、停時(shí)的熱應(yīng)力作用使彎頭應(yīng)力升高，表面或內(nèi)部微小缺陷可能會(huì)擴(kuò)展；管道受介質(zhì)、溫度、壓力等影響在使用過(guò)程中可能會(huì)促發(fā)應(yīng)變時(shí)效脆化現(xiàn)象。使鋼管材質(zhì)進(jìn)一步劣化并產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋或氫脆裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定程度就會(huì)發(fā)生管道爆破泄漏或管道碎裂失效。

   因此，為保證管道安全使用，提出以下建議：用戶訂購(gòu)高壓化肥設(shè)備用不銹鋼無(wú)縫鋼管時(shí)應(yīng)采用GB/T14976-2012標(biāo)準(zhǔn)；按Ｇ國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的不銹鋼無(wú)縫鋼管應(yīng)按爐批抽樣做Ｖ形缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，如不合格應(yīng)進(jìn)行正火處理；管道彎制優(yōu)先采用熱彎工藝，如用冷彎盡可能在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上作業(yè)且彎后必須進(jìn)行消除硬化熱處理；在裝卸、運(yùn)輸、吊裝、檢修過(guò)程中應(yīng)避免彎頭承受較大的沖擊載荷或強(qiáng)行安裝：加強(qiáng)對(duì)在用鋼管的管理，做好防護(hù)工作，避免外力撞擊，檢修時(shí)對(duì)彎頭做磁粉或超聲檢測(cè)并抽檢厚度和硬度；應(yīng)避免高壓管道低溫脆變失效，對(duì)使用溫度低于0℃的304不銹鋼高壓管道應(yīng)進(jìn)行正火處理或直接換用低溫專(zhuān)用鋼管。