20G无缝钢管开裂原因

杨文静

[1.安工腐蚀检测实验室科技(无锡)有限公司, 无锡 214028；2.首钢技术研究院, 北京 100041；3.北京科技大学 国家材料服役安全科学中心，北京 100083]

20G无缝钢管属于高压锅炉管，是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材，在锅炉管道、输油管道、天然气管道、煤气管道等方面广泛应用[1-5]。20G无缝钢管常期处于高压、高温的环境，在高温烟气和水蒸气的作用下，钢管会发生氧化和腐蚀等损伤，因此对钢管的持久强度、抗氧化腐蚀及组织稳定性有较高的要求[6]。在不同温度及介质的情况下，钢管容易发生脱碳，使钢管壁上受到不同程度的腐蚀，从而缩短管道的使用寿命。有研究发现：20G无缝钢管的开裂不是材料造成的，而是水质较差导致的[7]。除此之外，热应力也会加剧钢管材料的局部损伤，导致爆管[8]。

管道在服役4 a后发生开裂，该管段的服役环境为：内部介质为除盐水，温度约为200 ℃，压力约为5 MPa；外部介质为烟气，温度约为300 ℃，且常年恒定。笔者采用一系列理化检验方法对其开裂原因进行分析，以防止该类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

送检20G无缝钢管的外径为25 mm，原壁厚为5 mm，共3段。1号管段内、外壁均腐蚀严重，已出现变薄和开裂现象(见图1)；2号管段内壁腐蚀严重，外壁腐蚀稍轻(见图2)；3号管段为未服役管段(见图3)。

图1 1号管段宏观形貌

图2 2号管段宏观形貌

图3 3号管段宏观形貌

1.2 化学成分分析

根据GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》对钢管进行化学成分分析，在温度为26 ℃，湿度为35%的环境下检测。3个管段的化学成分分析结果如表1所示，由表1可以看出，送检钢管的化学成分符合GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》的要求。

表1 3个管段的化学成分分析结果 %

根据GB 6920—1986 《水质 PH值的测定 玻璃电极法》和GB/T 15453—2018 《工业循环冷却水和锅炉用水中氯离子的测定》对内部介质水样的化学成分进行分析，在温度为20 ℃，湿度为30%的环境下进行检测。内部介质水样的pH为6.76，Cl-的密度小于3 mg/L，结果均符合技术要求。

1.3 硬度测试

根据GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》对钢管进行硬度测试。受形状和尺寸的限制，仅能从管体截面进行硬度测试，虽然测试尺寸略微偏小，但根据经验，硬度结果在不作为关键性判据的情况下，仍可作为参考。测试结果如表2所示，由表2可以看出，钢管的布氏硬度比GB/T 5310—2017标准的要求高。

表2 3个管段的布氏硬度测试结果 HBW

1.4 金相检验

对1号管段的开裂部位进行金相检验，微观形貌如图4，5所示。由图4，5可以看出：1号管段开裂部位明显变薄，最薄处只有0.15 mm，而管段原壁厚为5 mm，可见钢管在开裂之前已经在内部水的压力下不断被拉伸并减薄，且管段内侧较外侧腐蚀更严重。内表面腐蚀区域覆盖着厚度约为0.15 mm的氧化铁皮和腐蚀产物。推测管断的开裂过程是内表面最先开始受力，然后逐渐被拉伸减薄。

图4 1号管段开裂部位微观形貌(腐蚀前)

图5 1号管段开裂部位微观形貌(腐蚀后)

对2号和3号管段进行金相检验，结果如图6～8所示。可以看出，20G钢的基体组织为铁素体和珠光体，在1号、2号、3号管段的内表面均有明显的脱碳现象。服役后的管段脱碳层深度较深，且完全脱碳，脱碳处组织为单一的铁素体，并伴随着晶粒长大，脱碳层深度约为177 μm；3号管段内表面也存在脱碳，脱碳层深度约为123 μm；3个管段的外表面也存在脱碳，相比内表面，脱碳深度较浅，脱碳层深度约为68 μm。由此可知，管段在未服役之前存在脱碳现象。脱碳能显著降低材料的硬度、强度、耐腐蚀、耐热等性能。同时经测量，管段基体铁素体晶粒度为8.5级，开裂处1号管段脱碳区域的粗大铁素体晶粒度为5.5级。 管段的夹杂物不严重，主要为A类细系1级，D类细系1级(见图9)。氧化物质点的微观形貌如图10所示。

图6 2号管段漏洞部位显微组织形貌

图7 3号未服役管段的显微组织形貌(内壁)

图8 3号未服役管段的显微组织形貌(外壁)

图9 夹杂物微观形貌

图10 氧化物质点的微观形貌

1.5 扫描电镜和能谱分析

对氧化物质点处进行扫描电镜(SEM)和能谱分析，结果如图11和表3所示。

表3 氧化物质点处的能谱分析结果 %

图11 氧化物质点处的能谱分析位置

1号开裂管段内表面已经发生氧化，并存在微裂纹，裂纹周围有很多高温氧化物质点。氧化物质点沿晶界分布，使材料晶界弱化，降低了材料的力学性能及抗腐蚀性能，高温质点是空气或钢中的氧元素与钢中强氧化性的硅元素、锰元素结合，形成富集硅元素、锰元素的氧化物颗粒。点状氧化物的形成需要更高的温度和更长的时间，温度要达到950～1 200 ℃，时间至少大于0.5 h。据此推测，内表面有高温质点的微裂纹可能是材料原来就有的。

服役管段内表面的SEM形貌如图12，13所示，可以看出，在腐蚀坑的尾部已萌生出微小裂纹，裂纹沿晶扩展。

图12 服役管段内表面的SEM形貌

对服役管段表面的腐蚀产物进行扫描电镜及能谱分析，结果如图13和表4所示，可知由于内表面脱碳严重，其抗腐蚀能力大大降低，金属发生腐蚀后，与水中的氧、钙、钠、镁元素等结合，形成了腐蚀产物。

图13 腐蚀产物能谱分析位置

表4 腐蚀产物的能谱分析结果 %

2 综合分析和结论

该服役管段的化学成分分析结果符合要求，其基体组织正常，表面硬度稍高，但并不会影响管段的使用。钢管开裂的主要原因为管段内表面存在严重脱碳，导致其硬度、强度、耐腐蚀、耐热能力显著降低，再加上管段内表面有高温氧化物质点，使钢管在一定水压环境的使用过程中，受力超过其本身强度极限，使管壁不断变薄并开裂。

20G无缝钢管内表面的脱碳比外表面严重，这主要与钢管的穿孔和连轧工艺有关。主要原因有：穿孔速度不当造成内壁温度过高；内壁除氧化剂的质量不佳；终轧温度偏高，内壁温度比外壁高。其服役温度为200～300 ℃，在正常使用过程中不会发生脱碳。

GB/T 5310—2017规定：外壁全脱碳小于0.2 mm，内壁全脱碳小于0.3 mm，两者之和小于0.4 mm。未使用的3号管满足该项要求，而1，2号管段在发生严重腐蚀减薄后，仍有非常严重的脱碳情况发生，显然不满足此项要求。

建议相关使用方在采购及使用20G无缝钢管时，要求供货方严格质检，且按照不能低于GB/T 5310—2017标准的要求供货，如使用条件特别苛刻，可适当严格要求表面脱碳层指标。