高壓化肥用不銹鋼無縫鋼管彎制斷裂事件分析

  浙江至德鋼業有限公司針對高壓化肥設備用不銹鋼無縫鋼管彎制過程中突然斷裂的情況，從外觀尺寸、化學成分和力學性能、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不銹鋼無縫鋼管局限性。對彎制前鋼管進行正火處理后．低溫沖擊功上升到，彎管再未發生斷裂。認為若未嚴格正火處理（或終軋溫度不符合正火溫度或未經空冷），用于高壓系統會潛在一定的安全隱患：用戶訂購高壓化肥設備用無縫鋼管時應采用2012年7月1日實施的GB/T14976-2012，化工企業應加強對高壓化肥設備用無縫鋼管的重視，對庫存或設備改造的舊鋼管更應謹慎使用。至德鋼業發現在一次彎制高壓化肥設備用不銹鋼無縫鋼管（以下簡稱“高化管”）彎頭時，制作過程中彎頭突然斷裂。彎制工藝為冷彎成形。彎頭中273ｍｍｘ40ｍｍ、半徑為3D、材質為304不銹鋼。高化管內部承受高壓、高溫，且管內介質是易燃、易爆、有毒有害的氣體，一旦發生事故，后果不堪設想，因此，對高化管在彎制時發生斷裂的研究很有必要。

一、事件概況

   高化管的彎制作業在室內進行，環境溫度為7℃，當彎頭彎到300時崩裂，斷裂口源于彎頭的外弧側，從外弧中心線開裂，然后沿橫向兩側擴展至全截面．外弧側至中性區有一撕裂15貫穿內外壁，整個斷口周圍無原始裂紋源、折疊、結疤和離層等缺陷，斷口呈平坦，系拉應力引起的脆性斷裂．可見材料的塑性和韌性很差，再加上低溫環境下冷彎變形引起的加工硬化，使材料塑性和韌性進一步降低，脆性大大增加。材料的微小缺陷因應力集中而擴展開裂成裂紋，而且裂紋前沿處于平面應變狀態，脆斷所需的能量很小，因此彎管無須承受大的張開應力即發生脆性斷裂。

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％；內弧壁厚最大值為42，增加量為2.7％。由此可見，彎頭的內外弧壁厚變化符合GB/T 20801-2006和GB/T12459-2005等相關標準要求。但與以往相同彎制工藝下該規格管材起彎處外弧6％減薄量的經驗值相比偏低，說明材料脆、塑性不佳。

 2. 化學成分和力學性能

    實測直管段化學成分、力學性能數據與GB/T14976-2012標準值比較見表。表數據顯示，管材化學成分和力學性能均符合GB/T14976-2012標準，但斷后伸長率較低且Ｖ形缺口沖擊值僅為8／8／9，說明不銹鋼無縫鋼管未經正火處理，材料對動態載荷敏感性強、對裂紋的抗撕裂能力差。

 3. 金相檢查

   在直管段上取金相試樣，檢測結果：顯微組織為魏氏組織＋塊狀鐵素體＋塊狀細片珠光體；晶粒度6級；非金屬夾雜物等于2.5級?？梢酝茢嗖讳P鋼無縫鋼管熱加工時溫度控制不當或加熱不均使材料超溫產生了奧氏體組織，奧氏體組織的出現直接導致材料機械性能惡化，嚴重降低了鋼的沖擊韌性，這與實驗數據吻合：非金屬夾雜物等級為GB/T14976-2012標準要求“不大于2.5級”的極限值，這也影響了鋼的機械性能，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，彎頭內外弧的塑性變形會引起冷作硬化作用，鑒于彎頭外圓弧變形量最大（加工硬化最嚴重），故在外圓弧處截取對稱的3份樣本，第1份不做熱處理，第2份做650℃保溫2小時退火處理，第3份做正火處理，分別做力學性能檢測。沖擊缺口為Ｖ型，數據見表。表數據顯示，鋼管冷彎后，金相結構發生畸變．冷作硬化非常顯著，力學性能不符合GB/T14976-2012標準要求，過高的強度和硬度使材料在室溫下脆性大大增加；經退火處理后應力消除，力學性能有明顯改善，達到了GB/T14976-2012標準要求，但抗沖擊能力仍很差；經正火處理后各項性能指標均明顯提高，特別是沖擊性能。

  目前不銹鋼無縫鋼管行業標準僅由兩家鋼鐵公司起草，現已實施十四年。隨著社會的發展，暴露出一定局限性，如該標準“表４”注：“熱軋管終軋溫度符合正火溫度時，可以代替正火”，很多鋼管廠憑此省略了304不銹鋼無縫鋼管的正火工藝：又如“表５”中沖擊功采用吸收功較高的Ｕ形缺口沖擊數據，而對韌脆轉變敏感的Ｖ形缺口沖擊功在后面其他條款中“不作交貨條件”等。

  至德鋼業技術人員曾做過大量力學性能對比實驗驗證304不銹鋼無縫鋼管不經正火處理會有一定的安全隱患，如江蘇某鋼管廠生產的304無縫管（交貨狀態為正火）和日本某公司生產的ST410無縫管（交貨狀態為軋態）219ｍｍｘ35ｍｍ鋼管做Ｖ型、Ｕ型缺口沖擊實驗，結果見表。數據顯示，國產管數據離散性較大，且無論Ｕ形缺口還是Ｖ形缺口沖擊值都比未經熱處理的日產管低．說明國產管的材料組織和成分不均勻，鋼管并未經正火處理；在20℃以下Ｕ形缺口較Ｖ形缺口沖擊值大的多。根據以上分析結果，對高化管進行了正火處理，使鋼材的力學性能大幅提高，尤其是低溫沖擊功由原來5J上升到50J，彎管再未發生斷裂。

三、結束語

   通過以上彎管斷裂分析，按GB14976-2012制造的304不銹鋼無縫鋼管，若未嚴格正火處理（或終軋溫度不符合正火溫度或未經空冷），材料組織和成分不均勻，其延伸率、韌性和抗沖擊性會很差，使用于高壓系統可能潛在一定的安全隱患：管道在彎制、運輸、安裝、水壓實驗、管道檢修時可能會受外力作用或者系統在啟、停時的熱應力作用使彎頭應力升高，表面或內部微小缺陷可能會擴展；管道受介質、溫度、壓力等影響在使用過程中可能會促發應變時效脆化現象。使鋼管材質進一步劣化并產生應力腐蝕裂紋或氫脆裂紋，裂紋擴展到一定程度就會發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：用戶訂購高壓化肥設備用不銹鋼無縫鋼管時應采用GB/T14976-2012標準；按Ｇ國家標準生產的不銹鋼無縫鋼管應按爐批抽樣做Ｖ形缺口沖擊實驗，如不合格應進行正火處理；管道彎制優先采用熱彎工藝，如用冷彎盡可能在韌脆轉變溫度以上作業且彎后必須進行消除硬化熱處理；在裝卸、運輸、吊裝、檢修過程中應避免彎頭承受較大的沖擊載荷或強行安裝：加強對在用鋼管的管理，做好防護工作，避免外力撞擊，檢修時對彎頭做磁粉或超聲檢測并抽檢厚度和硬度；應避免高壓管道低溫脆變失效，對使用溫度低于0℃的304不銹鋼高壓管道應進行正火處理或直接換用低溫專用鋼管。