天然气管道用直通球阀的开裂原因分析

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(北京有色金属研究总院 国标(北京)检验认证有限公司, 北京 100088)

天然气管道用直通球阀的开裂原因分析

夏雯,刘淑凤,杜风贞,左玉婷,张东晖

(北京有色金属研究总院 国标(北京)检验认证有限公司, 北京 100088)

某天然气管道用直通球阀卡套螺母在服役期间发生开裂。采用宏观观察、断口分析、腐蚀产物分析、化学成分分析、显微组织分析等方法对该卡套螺母的开裂原因进行了分析，并进行了热模拟试验及晶间腐蚀试验。结果表明：化学成分不合格和固溶处理不充分是卡套螺母开裂的主要原因；大量非金属夹杂物的存在导致电化学腐蚀，是卡套螺母开裂的次要原因。

球阀；卡套螺母；固溶处理；晶间腐蚀；开裂

某厂天然气管道的不锈钢直通球阀在服役3 a(年)后发生断裂，断裂位置为卡套螺母部位。该球阀的使用地点为浙江某沿海城市郊区，距离海边约50 km处，直通球阀在野外露天放置，周围无大型工厂，无强氧化性或还原性腐蚀环境。直通球阀产品型号为RKH 35L 4425，根据型号判断其材料应为316Ti不锈钢。316Ti不锈钢是在316钢中添加钛制成的，钛能改善抗晶间腐蚀性能，耐腐蚀性能应比316不锈钢的要好。为了研究该直通球阀卡套螺母的断裂原因，笔者采用宏观观察、断口分析、腐蚀产物分析、化学成分分析、显微组织分析等方法对其进行了理化检验和分析，并进行了热模拟(固溶处理)及晶间腐蚀试验[1-2]。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对直通球阀的卡套螺母部位进行宏观观察，如图1所示：卡套螺母的开裂方向为从内向外，如图1a)箭头所示；横纵向均有裂纹且卡套外壁锈斑较多，腐蚀非常严重，如图1b)所示。

图1 失效卡套螺母的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the failure ferrule nut:a) transversal surface; b) outside surface

1.2 断口分析

通过JSM-6510型扫描电镜观察卡套螺母的断口形貌，如图2所示，断口整体呈典型的冰糖状，基本未见塑性变形的韧窝特征，具有沿晶开裂的脆性断裂形貌特征。

图2 卡套螺母的断口形貌Fig.2 Fracture morphology of the ferrule nut

1.3 腐蚀产物分析

对卡套螺母裂纹附近的腐蚀产物进行能谱分析，如图3所示，腐蚀产物应为铁的氧化物和氢氧化物，有少量的氯元素，应为大气中腐蚀性介质的残留，还可见硫元素或钼元素。另外，能谱中出现的硅、铝峰应为雨水、大气带来的附着在表面的泥沙或尘土。

图3 腐蚀产物能谱分析位置和结果Fig.3 Position and results of energy spectrum analysis of corrosion products: a) analysis position; b) analysis results

1.4 化学成分分析

在球阀卡套螺母上取样进行化学成分分析，硅和磷元素采用日本岛津UV-1750分光光度计分析，铬元素采用滴定法分析，其余杂质元素使用安捷伦725-ES发射光谱仪进行分析，结果列于表1。结果显示，与GB/T 1220-2007《不锈钢棒》的要求相比，卡套螺母中的碳含量超标，钛含量则远低于标准要求，镍、钼含量也未达到标准要求。

表1 卡套螺母的化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Analysis resutls of chemical compositions of the ferrule nut (mass fraction) %

图4 卡套螺母的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of the ferrule nut: a) intergranular cracks (polished state); b) granular carbides (etched state); c) sulfide inclusions; d) alumina inclusions

1.5 显微组织分析

从球阀卡套螺母裂纹部位取样，经抛光、侵蚀后在ZEISS 200MAT型光学显微镜和JSM-6510型扫描电镜下进行观察。

图5 晶界处碳化物能谱分析位置和结果Fig.5 Position and results of energy spectrum analysis of carbides at grain boundaries: a) analysis position; b) analysis results

卡套螺母的显微组织为等轴奥氏体，根据GB/T 6394-2002[3]和GB/T 10561-2005[4]中的A法对卡套螺母的晶粒度和非金属夹杂物等级进行评定，结果显示其晶粒度为5.5级，非金属夹杂物等级为A1.0，B1.0，C0，D2.0。卡套螺母基体中存在沿晶裂纹，晶界处可见点状或粒状的细小颗粒物，疑似为碳化物(M23C6)，如图4所示。对晶界处细小颗粒物进行能谱分析，结果如图5所示，结果表明该细小颗粒物为碳化铬。

1.6 热模拟及晶间腐蚀试验

图6 晶间腐蚀试样弯曲后形貌Fig.6 Morphology of intergranular corrosion specimens after bending: a) the specimen without solution treatment; b) the specimen after solution treatment

为进一步判断卡套螺母的失效原因，对其进行热模拟试验(固溶处理)，固溶条件为1 050 ℃保温30～60 min后快速水淬。将固溶前后的试样按照GB/T 4334-2008中的方法E进行晶间腐蚀试验，弯曲后试样的开裂情况如图6所示。结果显示，未进行固溶处理的试样弯曲后发生断裂，经固溶处理后的试样未发生断裂且肉眼观察未见裂纹[5]。

图7 固溶处理试样的显微组织形貌Fig.7 Microstructure morphology of the specimen after solution treatment

对固溶处理后试样进行金相检验，结果如图7所示。可以看出，固溶后晶界处细小颗粒物基本消失，这是因为经固溶处理后，晶界处细小碳化物分解回溶到基体中。

2 分析与讨论

从以上理化检验结果可以看出，导致直通球阀卡套螺母失效的因素主要有3个方面：化学成分不合格、非金属夹杂物较多和固溶处理不充分。

(1) 卡套螺母材料的化学成分中碳含量超标，由于碳易与铬形成Cr23C6，而碳向晶界扩散的速率比铬的高，与晶界及晶界附近的铬形成碳化铬，造成晶界贫铬，从而导致晶内与晶界的铬含量有差异，构成微电池，晶界加速腐蚀。另外由于钛含量低，无法取代铬，形成的Cr23C6减少，再加上钼和镍的含量也较低，降低了不锈钢的耐腐蚀性[6-7]。

(2) 卡套螺母材料中存在较多硫化物、氧化铝等非金属夹杂物，破坏了钢基体的连续性，造成不锈钢表面钝化膜容易受到局部破坏。由于该卡套螺母在沿海城市服役，空气中存在氯离子，这些非金属夹杂物在氯离子的腐蚀作用下形成坑点，在闭塞电池的作用下，坑内基体金属形成阳极区，导致孔腐蚀，因此该球阀卡套表面存在很多锈斑[8]。

(3) 奥氏体不锈钢使用前应进行固溶处理，固溶处理的目的是使晶界处析出的碳化物重新溶解，贫铬区消失，可以提高钢的耐晶间腐蚀性能。而该卡套螺母在热处理阶段固溶处理不充分，导致晶界处碳化物未回溶而保存下来，材料在空气中氯离子的作用下发生了晶间腐蚀。另外，卡套螺母在装配中受到拉应力的作用，因此在装配外力的作用下，该球阀卡套螺母发生了沿晶开裂。

3 结论与建议

(1) 该直通球阀卡套螺母碳含量超标，在晶界处形成碳化铬，且由于材料固溶处理不充分，大量碳化铬未回溶，引起晶间腐蚀，是导致球阀卡套螺母失效的主要原因。大量非金属夹杂物的存在导致电化学腐蚀，是球阀卡套螺母失效的次要原因。

(2) 建议对316Ti不锈钢材料的化学成分进行严格控制，在入厂之前进行抽样检查；控制材料中非金属夹杂物的含量；对不锈钢材料进行水韧处理，防止零件存在晶间腐蚀倾向。

[1] 陈鹏,尤兆宏,白涛,等.304不锈钢法兰失效分析[J].热加工工艺,2013,42(2):196-198.

[2] 关锰,王东颖,程从前,等.海水泵叶轮316L不锈钢螺钉的腐蚀原因分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(11):806-809.

[3] GB/T 6394-2002 金属平均晶粒度测定法[S].

[4] GB/T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法[S].

[5] GB/T 4334-2008 金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法[S].

[6] 鲁照玲,周志毅,周宇.换热设备用不锈钢材料腐蚀失效分析[J].腐蚀科学与防护技术,2006,18(6):443-445.

[7] 罗宏,龚敏.奥氏体不锈钢的晶间腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术,2016,18(5):357-360.

[8] 张全新. 输送天然气用不锈钢焊管锈蚀穿孔原因分析[J].理化检验-物理分册,2015,52(2):121-124.

AnalysisonCrackingReasonsoftheBallValveUsedinNaturalGasPipelines

XIAWen,LIUShufeng,DUFengzhen,ZUOYuting,ZHANGDonghui

(Guobiao (Beijing) Testing & Certification Co., Ltd., General Research Institute for Nonferrous Beijing, Beijing 100088, China)

The ferrule nut of a ball valve used in natural gas pipeline cracked during the service period. Macroscopic observation, fracture surface analysis, corrosion product analysis, chemical composition analysis, microstructure analysis and so on were used to analyze the cracking reasons of the ferrule nut, and the thermal simulation experiment and intergranular corrosion test were carried out. The results show that: the main reasons for cracking of the ferrule nut were that chemical compositions were not qualified and the solution treatment was insufficient; the minor reason for cracking of the ferrule nut was that a large number of non-metallic inclusions caused the electrochemical corrosion.

ball valve; ferrule nut; solution treatment; intergranular corrosion; cracking

10.11973/lhjy-wl201711012

TG142; TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0818-04

2017-02-10

夏 雯(1982-)，女，高级工程师，硕士，主要从事金属及其合金的金相分析和失效分析工作，freshairfly@163.com