压气站SCH80S三通管件泄漏失效分析*

齐丽华，王振川，王玉雷，战 彬，王向阳，张伟卫，王 鹏

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.中国石油管道建设项目经理部，北京100101）

1 概 述

某压气站阀门附近区域存在天然气泄漏现象，经过对地面以上设备进行逐项排查检漏后，初步判断漏点位于地下，对相关区域进行开挖后发现阀门注脂管底部SCH80S三通本体出现长约40 mm的裂缝，SCH80S三通规格为DN25 mm×4.5 mm[1]，图1为失效三通漏点的具体位置及失效部位局部放大图。

图2为送检试样的宏观照片及去除外部卡套和内部胶体的三通。用线切割方法将失效样品切割，编号取样检验。试样编码如图2（c）所示，利用光学显微镜和扫描电镜对1#、2#、3#、4#和5#试样分别进行微观组织观察和断口形貌分析。6#和7#试样进行硬度试验和化学成分分析。通过对失效试样的宏观裂纹观察可知，三通的外壁有一条长约70 mm、垂直于主管方向的裂纹。靠近三通主管中间的底部位置为穿透性裂纹，沿上下表面向支管方向直线扩展。

图1 失效三通漏点的具体位置及失效部位的放大照片

图2 送检失效试样及取样位置

2 化学成分分析

从SCH80S三通裂纹取7#试样，依据ASTM A403－WP304－S，用ARL 4460直读光谱仪进行化学成分检测，结果见表1。由表1可见，试样的化学成分除Cr含量略低于标准要求外，其他元素的化学成分均符合ASTM A403－WP304－S对304不锈钢管件的标准要求[2－3]。

表1 SCH80S三通化学成分分析结果%

3 金相组织分析

依据裂纹宏观形貌，对其取样进行微观组织分析。图3为2#试样在体式光学显微镜下拍摄的宏观照片和宏观裂纹截面金相照片。由图3可见，裂纹由三通外壁向内扩展，且在壁厚方向形成穿透性裂纹，裂纹扩展路径平直。靠近主裂纹的组织内部存在二次裂纹，二次裂纹均由三通外壁向内扩展如图中箭头1方向所示，扩展路径平直且平行于主裂纹的扩展方向，如图中箭头2所示[4－5]。

图4为裂纹截面的微观组织及二次裂纹的尖端放大图片。用3HCl∶1HNO3王水溶液对失效试样进行浅腐蚀，分析裂纹及其近域组织形态变化和二次裂纹的尖端扩展。由图4可见，三通的组织由奥氏体（白色）和马氏体（灰色）组成，晶粒尺寸为50～100 μm。主裂纹两侧的微观组织沿管体厚度方向明显发生形变伸长，主裂纹为穿晶扩展，如图4（a）所示。二次裂纹的扩展形式也主要为穿晶扩展，仅在局部区域存在少量的沿晶扩展形式，如图4（b）所示。

运用扫描电镜对断口微观形貌进行分析，图5为3#试样断口源区宏观形貌和局部放大图。图中箭头所示为三通的裂纹源区，由图5（a）可见，裂纹是由三通外表面向内壁扩展，源区及附近区域的断口表面平坦，均为穿晶断口形貌，且在源区表面附着少量的氧化产物。图5（b）为近裂纹源区的局部放大图片，裂纹源区组织晶粒较大，断口处的晶粒边界棱不突出，整个源区断口面平坦，说明裂纹源区断口组织较脆，裂纹起裂功和扩展能均很低，为典型的脆性断口形貌[6-7]。

图6为裂纹扩展区宏观形貌和局部放大图。由图6（a）可见，在三通的扩展区表面均较为平坦，局部有晶界棱突起。并在晶粒内部的断口形貌上存在大量的形变带，且同一晶粒内部的形变带方向一致，相邻晶粒内部的形变带存在一定的夹角，如图6（b）中箭头所示。整体裂纹断口形貌表明，该三通的韧性较低，整体断口形貌为脆性断口，裂纹扩展功低。微裂纹在三通主管腹部的外壁处形成，沿整个三通厚度和支管方向迅速扩展。

图7为裂纹源区近域断口处的灰色附着产物和断口组织能谱分析图。由图7可知，裂纹源区的灰色物质主要成分为O、C、Fe、Ca和Cr，主要为基体组织的氧化产物。断口组织的主要成分为Fe、C、Cr、Ni和O，表明其表面仍有少量的氧化产物，且基体组织主要由Fe、C、Cr和Ni组成。其中Cr和Ni元素的质量比约为17∶7，说明基体组织的原始形态为奥氏体。

图8为裂纹扩展区断口组织能谱分析图。由图8可知，裂纹扩展区的主要成分为Fe、C、Cr和Ni。其中Cr和Ni元素的质量比值与裂纹源区接近，约为17∶7，为奥氏体不锈钢。

图3 2#试样裂纹的宏观截面图

图4 裂纹截面的微观组织

图5 3#试样断口源区宏观形貌和局部放大图

图6 3#试样断口扩展区宏观形貌和局部放大图

图7 裂纹源区近域灰色物质形貌及能谱曲线

图8 裂纹扩展区断口组织的能谱分析

为进一步分析三通的裂纹成因，对裂纹两侧的基体组织进行分析，如图9所示。由图9可见，三通的基体组织均沿厚度方向发生明显的形变，其中白色区域组织为奥氏体，灰色区域为形变马氏体组织，是基体组织发生形变后发生相变，由奥氏体转变成形变马氏体组织。图9（b）为图 9（a）中灰色区域 A的局部放大图[8]。由图9（b）可见，形变马氏体组织内部存在明显的形变带，其形变带在晶粒内部与形变呈一定角度平行分布。这与上面扫描电镜观察到的断口组织形貌（图 6（b））相吻合。

图9 裂纹近域微观组织及其放大图片

表2为6#试样硬度试验结果。结合微观组织的形态特点可知，该处为奥氏体发生形变后发生相变，转变为形变马氏体。

表2 6#试样硬度试验结果

4 综合分析

三通的化学成分基本符合ASTM A403-WP304-S标准对304S不锈钢的要求。由失效三通的化学成分可知，该三通为304S奥氏体不锈钢材质。该类尺寸的三通一般制作工艺是三通整体热挤压成型+高温固熔处理[9-11]。三通经热挤压成型时，其奥氏体晶粒发生形变强化，转变成马氏体组织，从而导致三通硬度提高而塑性和韧性急剧降低。高温固熔处理的作用是将形变后的马氏体组织全部转变为奥氏体组织，消除热挤压成型带来的组织转变成马氏体脆硬相的影响和三通的残余应力，使基体组织达到稳定状态。

该不锈钢三通是经过热挤压成型工艺制作的，但没有经过整体的固熔处理。因此，其组织类型为奥氏体+形变马氏体，三通的强度很高，但塑性和韧性很低，不符合不锈钢三通的特点。在外界偶然因素的作用下，由三通外表面起裂并迅速扩展形成贯穿性裂纹，从而导致三通的整体失效。

5 结 论

（1） DN 25 mm×4.5 mm SCH80S三通的化学成分基本符合ASTM A403-WP304-S标准对304S不锈钢的要求。

（2）三通经热挤压成型后未经过高温固熔处理，导致整体三通硬度高而塑性和韧性急剧降低，在外界偶然因素下起裂后迅速扩展形成贯穿裂纹，这是导致三通失效的直接原因。

（3）针对三通的供货要求，不仅要供货方提供三通的外表面质量和材质单证明，同时应对不锈钢三通的生产制作工艺提出要求，并需供货方出具相应的证明材料。

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