鈦合金彎管的失效原因

李豐博,崔少平,李 寧,王婭輝

(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，西安 710201)

鈦合金具有良好的力學(xué)性能與耐蝕性，鈦合金管材也被廣泛應(yīng)用于核電[1]、海洋工程[2]等領(lǐng)域，在復(fù)雜運(yùn)行工況下，由于設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)等過程中各種因素的影響，鈦合金仍有可能發(fā)生磨損、腐蝕等常見的材料失效現(xiàn)象。管路管線的突然爆裂可能會(huì)引起重大的安全事故與經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，本工作針對某失效管件進(jìn)行分析，確定失效原因，以期為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修等各個(gè)環(huán)節(jié)提供理論依據(jù)，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 試驗(yàn)

服役于某化工廠含氯廢水處理系統(tǒng)的彎管發(fā)生爆炸失效，其材料為TA10鈦合金。彎管中物料組成復(fù)雜，有固體顆粒，正常服役溫度為220 ℃，若出現(xiàn)堵塞，局部溫度會(huì)升高，壓力為7 MPa，內(nèi)部通空氣，在爆裂失效前該部位有過堵塞，將堵塞疏通不久后出現(xiàn)爆裂失效。截取鈦管彎管及直管的失效部位進(jìn)行宏觀分析，然后在彎管斷裂失效處、彎管未斷裂處、直管處分別截取試樣，用OLYMPUS GX51顯微鏡對其橫截面顯微組織進(jìn)行觀察；采用JSM-6460型掃描電鏡對失效件內(nèi)壁及斷口進(jìn)行觀察并對其內(nèi)表面產(chǎn)物進(jìn)行分析。分別在直管處及彎管處截取拉伸試樣，尺寸如圖1所示，通過拉伸試驗(yàn)對其力學(xué)性能進(jìn)行分析。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig. 1 Size of tensile sample

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌及顯微組織

圖2(a)所示為失效彎頭，由宏觀形貌可見失效位置在彎管最外側(cè)，失效處減薄明顯，經(jīng)過彎曲成型的鈦管最外側(cè)管壁最薄、拉應(yīng)力最大，因此此處為整個(gè)彎管的薄弱環(huán)節(jié)。管壁內(nèi)側(cè)情況如圖2(b)所示，在靠近斷口的位置出現(xiàn)明顯的氧化變色，由于腐蝕介質(zhì)以及固體顆粒的存在,管壁內(nèi)側(cè)有明顯的沖蝕痕跡，截取斷口處、距斷口100 mm處、直管處制作金相試樣并對其橫截面形貌進(jìn)行觀察。

(a) 外部 (b) 內(nèi)部圖2 失效彎管的宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of failed elbow: (a) outside; (b) inside

如圖3所示,可以看出彎頭斷裂處有很多微小裂紋，且越靠近內(nèi)表面裂紋越多，距斷裂100 mm處也存在微裂紋，但是數(shù)量明顯減少，直管處內(nèi)部組織清晰光潔。

(a) 斷裂處 (b) 距斷裂100 mm處 (c) 直管處圖3 失效彎管的截面顯微組織Fig. 3 Cross-sectional microstructures of failed elbow: (a) break; (b) 100 mm from the break; (c) straight pipe

2.2 斷口形貌

對失效后的斷口進(jìn)行觀察，如圖4所示，可以看出靠近斷口處的氧化層并不完整，存在氧化層的剝落現(xiàn)象。在多次循環(huán)受力下，垂直于裂紋擴(kuò)展方向上出現(xiàn)大量的平行條紋，這些條紋是由每次受力時(shí)彎管發(fā)生變形導(dǎo)致的。從上述結(jié)果可以得出，多次循環(huán)受力下鈦管變形逐步累加導(dǎo)致裂紋逐步擴(kuò)展，鈦管內(nèi)部在多次沖刷下氧化層發(fā)生剝落，而高溫有氧環(huán)境有利于氧化層再次生成，多次的氧化及剝落過程導(dǎo)致管壁減薄[4]。

(a) 內(nèi)表面 (b) 裂紋尖端圖4 失效彎管的斷口形貌Fig. 4 Fracture morphology of failes elbow: (a) internal surface; (b) crack tip

2.3 內(nèi)表面SEM形貌與EDS分析

如圖5所示,可以看出材料內(nèi)表面腐蝕嚴(yán)重，尤其在晶界處聚集了比較多的腐蝕產(chǎn)物，而晶粒內(nèi)部腐蝕較輕，呈現(xiàn)出比較明顯的沿晶腐蝕形貌。

圖5 失效彎管內(nèi)表面腐蝕形貌圖Fig. 5 Internal surface corrosion morphology of failed elbow

如圖6和表1所示,由于高溫環(huán)境及氧氣的存在，鈦管斷口內(nèi)表面形成了一層比較均勻致密的氧化層，氧化層中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%。與斷口處相比，直管處內(nèi)表面的氧化層比較松散，且氧化程度不均。從EDS結(jié)果也可以看出在氧化層致密區(qū)域(區(qū)域B)，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為32%，而在非致密區(qū)域(區(qū)域C)氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為9.6%。綜上可得，斷口處的氧化程度遠(yuǎn)大于未斷裂處的，斷口處的氧化層較未斷裂處的更加均勻致密。

(a) 斷裂處

表1 內(nèi)表面EDS分析結(jié)果Tab. 1 Results of EDS analysis of internal surface %

2.4 橫截面SEM形貌與EDS分析

如圖7所示,為分析斷裂前后材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，分別選取斷裂處與直管處橫截面作為試樣，打磨拋光后進(jìn)行SEM分析。在直管處其表面均勻分布著彌散的第二相。局部放大后，可以看到在基體表面除了第二相還存在一些小坑，見圖7(b)，這些坑中還殘留著一些沒有完全消失的彌散相。在斷裂失效處彌散相基本消失，表面呈現(xiàn)出密集分布的小坑。分析認(rèn)為，這些坑應(yīng)該是基體上的第二相消失后殘留的形貌。

(a) 直管處 (b) 直管處局部放大 (c) 斷裂處圖7 失效彎管的橫截面形貌Fig. 7 Cross-sectional morphology of failed elbow: (a) straight pipe; (b) enlarged straight pipe; (c) break

內(nèi)部成分的變化是影響材料性能的重要因素，為確認(rèn)斷裂失效前后成分的變化，對橫截面的組織進(jìn)行EDS分析。由圖8和表2可以看出,直管處(區(qū)域A)整體的表面Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。在彌散相上(區(qū)域C,區(qū)域D)Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，而基體中(區(qū)域B)Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%，說明直管處Ni幾乎全部聚集在Ti-Ni彌散相上,而斷裂處的成分發(fā)生了明顯變化。如圖8(c)所示，斷裂處(區(qū)域F)，其成分主要為Ti、Ni及少量的Mo，此處Ni含量與直管處的Ni含量基本一致。對腐蝕坑內(nèi)成分進(jìn)行檢測(區(qū)域E,區(qū)域G)，腐蝕坑內(nèi)部Ni含量與直管處的掃描結(jié)果無明顯差異。由于Ni元素在鈦合金中的遷移能力較低，在較高溫度下，Ni元素較易發(fā)生遷移[5]。在發(fā)生失效前，彎管處發(fā)生過堵塞，堵塞后彎管處的溫度升高，高溫為Ni元素的遷移提供了條件。綜上所述，在直管處Ni元素基本全部集中在第二相中，而斷裂處的Ni元素從第二相中遷移到基體中。

(a) 直管處 (b) 直管處局部放大 (c) 斷裂處圖8 失效彎管橫截面EDS分析位置Fig. 8 EDS analysis locations on cross-section of failed elbow: (a) straight pipe; (b) enlarged straight pipe; (c) break

表2 橫截面EDS分析結(jié)果Tab. 2 Results of EDS analysis of cross-section %

2.5 力學(xué)性能分析

分別選取鈦管的直管及彎頭部分進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖9所示，直管處的抗拉強(qiáng)度為445 MPa，斷后伸長率為41.33%，斷面收縮率為63.0%。彎管處的抗拉強(qiáng)度為580 MPa，斷后伸長率為15.33%，斷面收縮率為43.3%。由于彎管時(shí)加工硬化的影響，該處強(qiáng)度明顯提升，但是同時(shí)也極大地降低了材料的塑性，因此其斷后伸長率及斷面收縮率下降,且其斷后伸長率已經(jīng)低于GB/T 3624-2010《鈦及鈦合金無縫管》的要求，在受力后由于彎管處變形能力不足，此處容易發(fā)生斷裂。

(a) 直管

3 結(jié)論

(1) 由于彎管成型過程中，變形產(chǎn)生的加工硬化導(dǎo)致材料塑性降低，變形能力變差。此外，由于彎制加工導(dǎo)致在彎管的外壁處壁厚減薄且存在較大的拉應(yīng)力，使鈦管內(nèi)部承壓時(shí)，彎管外壁成為了薄弱環(huán)節(jié)。

(2) 管內(nèi)為高溫廢水環(huán)境，流體壓力較高且含有固體顆粒，這種高壓液體在彎頭處形成湍流，對彎頭處沖擊產(chǎn)生較大的剪切力，而流體中含有的固體顆粒和氣泡會(huì)強(qiáng)化剪切力，使管內(nèi)壁的氧化膜破壞，氧化沖蝕的往復(fù)過程導(dǎo)致彎頭壁厚越來越薄。

(3) 當(dāng)彎管處堵塞后，此處的溫度及壓力都會(huì)升高，高溫使材料內(nèi)部的彌散強(qiáng)化相消失，材料強(qiáng)度降低，承壓能力變差。最終在內(nèi)外部因素的共同作用，材料發(fā)生沿晶腐蝕，伴隨多次較大的拉應(yīng)力作用，管道逐步累積變形,最終破裂。