A234材質(zhì)彎頭裂紋產(chǎn)生的原因分析

余金鵬

（優(yōu)歐辟環(huán)球油品工藝技術(shù)有限公司)

?

A234材質(zhì)彎頭裂紋產(chǎn)生的原因分析

余金鵬*

（優(yōu)歐辟環(huán)球油品工藝技術(shù)有限公司)

摘要對(duì)ASTM A234 WPB材質(zhì)彎頭檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在彎頭外側(cè)拱背上存在非貫穿性縱向表面裂紋。對(duì)彎頭基材和焊接部位進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了裂紋產(chǎn)生的原因。管材的表面質(zhì)量對(duì)成型后彎頭的質(zhì)量具有重要的影響。

關(guān)鍵詞彎頭表面缺陷裂紋接管焊縫

*余金鵬，男，1979年生，工程師。上海市，201203。

0　前言

對(duì)于某工藝單元裝置中疲勞載荷作用下的管道元件，要保證其材質(zhì)具有足夠的疲勞強(qiáng)度，除了對(duì)管道元件的材質(zhì)、壁厚、制造公差有較高的要求外，管道元件在制造過(guò)程中的表面質(zhì)量控制也是一個(gè)不可忽視的重要問(wèn)題。本文通過(guò)一個(gè)管道彎頭實(shí)際案例，對(duì)彎頭裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并以此說(shuō)明管道元件作為彎頭制造的原材料，其表面質(zhì)量的好壞對(duì)于彎頭產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的影響。

1　背景介紹

在該裝置進(jìn)行水壓試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，經(jīng)目測(cè)發(fā)現(xiàn)一90°彎頭的外側(cè)拱背處存在表面裂紋。該彎頭的規(guī)格為DN350，材質(zhì)為ASTM A234 WPB，如 圖1所示。

圖1　彎頭表面裂紋

如果該彎頭繼續(xù)投入使用，在內(nèi)壓力和循環(huán)應(yīng)力的作用下裂紋處會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)向應(yīng)力，在循環(huán)應(yīng)力的作用下裂紋會(huì)逐步擴(kuò)展，最終將導(dǎo)致該彎頭過(guò)早失效。因此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)彎頭的原材料進(jìn)行詳細(xì)的金相分析，探究了裂紋產(chǎn)生的原因。

2　彎頭裂紋原因分析

2.1目視檢測(cè)表面質(zhì)量

目視檢測(cè)是質(zhì)量檢測(cè)的第一步。通過(guò)對(duì)彎頭表面的詳細(xì)檢查，確認(rèn)彎頭由無(wú)縫管彎制而成，裂紋存在于彎頭外部拱背處，并從管件與管道環(huán)形焊縫處沿縱向垂直蔓延。因此，可以確認(rèn)裂紋的產(chǎn)生與彎頭和管件的環(huán)向焊接接頭有關(guān)聯(lián)。然后，對(duì)裂紋處的基材進(jìn)行取樣試驗(yàn)（參見(jiàn)圖2）。對(duì)試樣選擇一處有裂紋的面進(jìn)行打磨。經(jīng)過(guò)測(cè)厚儀測(cè)定，打磨掉大約3 mm厚度后表面裂紋消失，即在原材料基體上再無(wú)裂紋缺陷。因此可以判定，該裂紋為非貫穿性表面裂紋，裂紋深度約為3 mm。

圖2　對(duì)彎頭表面裂紋處的基材取樣

2.2材料取樣檢測(cè)

對(duì)彎頭進(jìn)行取樣，用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析，試樣如圖3所示。

圖3　彎頭材料取樣

將彎頭沿縱向切割成片，檢查內(nèi)表面，證實(shí)此彎頭由無(wú)縫管制成。經(jīng)測(cè)厚儀測(cè)量后可知：該彎頭最大厚度為15.32 mm，最大厚度位于內(nèi)弧面；最小厚度為13.08 mm，最小厚度位于外弧面背拱處。對(duì)彎頭厚度的測(cè)試也可從側(cè)面證明，原料管材的壁厚尺寸滿足彎頭制造工藝的要求。

采用能量彌散型X射線光譜儀（EDS）進(jìn)行基本化學(xué)成分分析，證實(shí)原材料的化學(xué)成分以及彎頭和管道連接處焊縫金屬的化學(xué)成分均滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過(guò)縱向取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)可知，彎頭的最小抗拉強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。經(jīng)過(guò)環(huán)向取樣進(jìn)行布什硬度測(cè)試（HBW10/3000），最大硬度值為HBW152，最小值為HBW138，硬度值在合適的范圍內(nèi)。由此可知，管件表面硬度對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響也被排除。另外，合適的硬度值也表明，彎頭的熱成型工藝、熱成型溫度控制和成型后熱處理均符合規(guī)范要求。在彎頭與接管的焊縫處切取縱向試樣，并對(duì)焊縫金屬部位進(jìn)行光學(xué)宏觀檢測(cè)以及蝕刻檢測(cè)，證實(shí)此焊縫為多層焊接，無(wú)焊接缺陷顯示?？v向試樣如圖4所示。

圖4　彎頭與接管焊縫處縱向試樣的宏觀檢測(cè)

圖5顯示了焊縫熔合區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)。在焊縫熔合區(qū)觀測(cè)到羽毛狀的超級(jí)貝氏體，這一金屬組織與通常情況下焊縫金屬部位和焊縫熔合區(qū)的樹(shù)狀組織結(jié)構(gòu)是相一致的。

圖5　焊縫熔合區(qū)微觀組織檢測(cè)

圖6為彎頭與接管焊縫熱影響區(qū)厚度方向中間部位的微觀形貌?？梢悦黠@看出，金屬組織晶粒度在邊緣處由于焊接熱輸入的影響和多層焊的反復(fù)加熱冷卻循環(huán)而明顯增大變粗。

圖6　彎頭與接管焊縫熱影響區(qū)厚度方向中間部位微觀形貌

圖7　彎頭與接管焊縫熱影響區(qū)厚度方向外側(cè)部位微觀形貌

圖7顯示了彎頭與接管焊縫熱影響區(qū)厚度方向外測(cè)部位的微觀形貌。由圖7可見(jiàn)，由于熱輸入加熱和多層焊焊后冷卻的影響，金屬組織有從鐵素體向魏氏化鐵素體轉(zhuǎn)變的傾向。但在彎頭最外側(cè)靠近最后一道焊道處的熱影響區(qū)卻呈現(xiàn)出不同的金相微觀組織，顯示為針狀的鐵素體和超級(jí)貝氏體。這一結(jié)果符合焊接過(guò)程中熱輸入對(duì)金屬組織產(chǎn)生影響的理論。

在熱影響區(qū)和焊縫熔合區(qū)均未發(fā)現(xiàn)馬氏體組織。彎頭本體材料縱向試樣的微觀金相組織顯示出較多的鐵素體和少量的珠光體（參見(jiàn)圖8），這就證明彎頭本體材質(zhì)的化學(xué)成分滿足規(guī)范的要求。

圖8　彎頭基材縱向試樣的微觀檢測(cè)

對(duì)縱向試樣的切面進(jìn)行了硬度測(cè)試，圖4中列出了不同位置的硬度測(cè)試數(shù)值，硬度測(cè)試結(jié)果與金相檢測(cè)的結(jié)果是相一致的。

對(duì)裂紋處的材料進(jìn)行環(huán)向取樣（試樣平行于彎頭與接管的焊縫）。環(huán)向試樣金相圖如圖9~圖12所示。對(duì)環(huán)向試樣的金相組織分析顯示，材料的金相組織有類似于彎頭成型過(guò)程中彎曲變形的特征，

圖9　裂紋處環(huán)向試樣的微觀檢測(cè)

圖10　裂紋處環(huán)向試樣的微觀檢測(cè)

圖11　裂紋處環(huán)向試樣上局部放大的光學(xué)顯微照片

圖12　彎頭基材橫截面上環(huán)向試樣的微觀檢測(cè)

并存在裂紋端部鈍化的特征。裂紋沿外表面延伸約0.8~1.0 mm（見(jiàn)圖9和圖10），且裂紋非常細(xì)微，有氧化物填充，不存在分支（見(jiàn)圖11）。彎頭基材橫截面上環(huán)向試樣的微觀檢測(cè)顯示，金相組織（見(jiàn)圖12）有較多的鐵素體和少量的珠光體。

3　結(jié)論

彎頭成型多采用熱成型（熱拉伸或熱擠壓），其工藝就是將加熱后的管狀基材通過(guò)固定的模具進(jìn)行拉伸或擠壓，以獲得要求的尺寸和形狀。從彎頭表面裂紋的特征來(lái)看，由于裂紋僅存在于彎頭外側(cè)拱背處約10 cm長(zhǎng)的范圍，且并不是沿彎頭拱背處從頭至尾的貫穿連續(xù)性裂紋，裂紋細(xì)微，裂紋內(nèi)部存在氧化物，因此可以排除模具毛刺等在彎頭熱成型過(guò)程中引起制造性表面缺陷這一可能。由于裂紋端部呈鈍化狀態(tài)，結(jié)合上述金相分析可知，該裂紋的產(chǎn)生最可能的原因是管道基材表面有缺陷，管道材料表面的缺陷在彎頭的熱成型制造過(guò)程中擴(kuò)大，從而在彎頭外側(cè)拱背部位產(chǎn)生類似層狀的細(xì)微長(zhǎng)裂紋。由于該表面裂紋的深度為3 mm左右，已超出8%壁厚的范圍，因此在疲勞載荷和內(nèi)壓作用下該裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展并最終導(dǎo)致彎頭失效。也就是說(shuō)，該彎頭不能再繼續(xù)用于裝置中了，只能作報(bào)廢處理。

通過(guò)以上案例分析可知，采用鋼管彎制彎頭應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制管件材料的表面質(zhì)量，用于彎制彎頭的原料鋼管應(yīng)當(dāng)滿足規(guī)范的要求，以免在彎頭生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生廢品，造成浪費(fèi)。

化工機(jī)泵

化工機(jī)泵

Reason Analysis of Crack Formation in A234 Material Elbow

Yu Jinpeng

Abstract：The non-penetrating longitudinal surface cracks are detected on the lateral extrados of the ASEM A234 WPB material elbow so that the reasons of the formation of the cracks are analysed based on the experiments on the substrates and the welding positions.It reveals that the surface quality of the pipe has significant influence on the quality of the elbow.

Key words：Elbow; Surface defect; Crack; Connecting tube; Weld joint

收稿日期：（2015－01－13）

中圖分類號(hào)TQ 050.4

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.009