摘 要:耐磨蝕BMS1400疏浚管在服役過程中出現開裂滲漏,通過宏觀觀察、化學成分分析、力 學性能試驗、顯微組織觀察和斷口分析等方法,分析了疏浚管開裂的原因。結果表明:BMS1400疏 浚鋼管的開裂是在氫致腐蝕、加工應力以及外力劃傷等多因素綜合作用下導致的應力腐蝕開裂;疏 浚過程中,管體浸泡在海水中易發生氫致開裂,鋼板預彎長度不足、預彎弧度不當及過彎量不足均 會使預彎區域產生較大的應力集中,服役過程中管體表面劃傷使應力集中域產生氫致裂紋,最終導 致管道發生開裂。
關鍵詞:疏浚管;耐磨蝕;BMS1400鋼;開裂
中圖分類號:TG115 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0020-03
在圍海造陸、航道疏浚等工程中,大量泥沙、礫 石以漿體的形式通過管道進行輸送。在海洋工況條 件下,輸送管道同時承受海水介質的腐蝕和漿體中 固體 顆 粒 的 磨 損,造 成 嚴 重 的 磨 蝕[1-2]。采 用 Q235B和Q345B普通碳素鋼管時,因其耐磨蝕性能 較差,使用過程中需要頻繁調換管體或維修[3],這不 僅增加了工作成本,還降低了作業的效率,難以滿足 以上作業的要求。耐磨蝕BMS1400鋼是針對海水 疏浚環境而開發的工作管道專用鋼,具有耐蝕性、耐 磨損性能好等特點,其耐磨蝕性能是普通材料的2 倍[4],可有效提高工作效率。
在某疏浚作業過程中,BMS1400鋼管出現開裂 滲漏現象。裂紋主要沿管道長度方向擴展,少量裂 紋 沿 管 道 橫 向 擴 展,裂 紋 距 離 直 焊 縫 300~ 400mm。筆者通過宏觀觀察、化學成分分析、力學 性能試驗、顯微組織觀察等方法,并結合管道的服役 環境,分析了開裂的原因。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
管道內、外表面裂紋的宏觀形貌如圖1所示。由 圖1可見:管道內表面裂紋長度約為280mm,兩條主 裂紋尚未完全斷開;管道外表面的裂紋整體上呈叉子狀,長度約為360mm。從內外裂紋長度可以判斷管 道是從外表面起裂,并逐漸向內表面擴展的。
1.2 化學成分分析
根據ASTME1019-11《不同燃燒和熔融技術測 定鋼、鐵、鎳、鈷合金中碳、硫、氮、氧合量的標準試驗 方法》和JISG1253-2002《鋼鐵火花放電原子發射 光譜分析法》,對開裂管道進行化學成分分析,在國 家認可的鋼鐵材料測試中心進行檢測。由表1可 知,開裂管道的化學成分滿足標準的技術要求。
1.3 力學性能試驗
按照GB/T231.1-2009《金屬材料 布氏硬度試 驗 第1部分:試驗方法》和GB/T229-2007《金屬材 料夏比擺錘沖擊試驗方法》,從管道裂紋附近區域取 樣,進行布氏硬度試驗和沖擊試驗。由表2可知,開 裂管道的沖擊韌性和硬度均滿足標準的技術要求。
1.4 顯微組織觀察
從管道裂紋附近處取樣,經鑲嵌、研磨后,用 4%(質量分數)硝酸酒精浸蝕,采用光學顯微鏡進行 觀察。由圖2可見,管道基體組織為正常的低溫回 火馬氏體組織。
1.5 斷口分析
在體視顯微鏡下觀察管道外表面裂紋交叉位置 處的宏觀形貌。由圖3可見,管道外表面有兩道較 為明顯的劃痕一直延伸到裂紋交叉位置,劃痕深度 超過0.3mm,最深達0.75mm。由圖4可見:劃痕 內部存在大量肉眼可見的垂直于劃痕的裂紋,開裂 面上有明顯的起裂痕跡,裂紋表面可見明顯的起源 區、霧化區和擴展區,可以確定該處為裂紋起裂位 置,表明管道開裂與貫穿該處的劃痕有關;另外,裂 紋表面可見與裂紋擴展方向平行的臺階狀和山脊狀 凸起,并呈放射狀分布。
從圖3所示劃痕位置取樣,觀察劃痕內部裂紋 的微觀形貌。由圖5可見,劃痕內部微裂紋深度約 為270μm,劃痕表層存在明顯的形變特征,表明在 外力作用下劃痕處發生了劇烈的變形。在叉車起運 過程中管道容易受到叉車臂的碰撞、摩擦,在組裝、 吊運過程中管道也容易發生撞擊。當外力強度超過 了材料的屈服極限時,管道表面會形成較深的劃痕 并產生局部應力集中,進而形成許多微裂紋。
從圖1所示裂紋的末端取樣,分別對外表面和 截面裂紋進行觀察。由圖6可見:外表面裂紋沿著 晶粒邊界擴展,具有應力腐蝕和氫致開裂特征[5],裂 紋附近未見夾渣、夾雜物等缺陷,表明開裂與管道材 質無關;截面裂紋可見大量細小的二次裂紋,具有分 叉結構,尾部較為尖銳,呈明顯的應力腐蝕特征[6-7]。 管道表面劃傷后存在應力集中,在海水環境中容易 發生腐蝕,導致管道產生裂紋。
2 討論
分別測試了 BMS1400鋼板和開裂 BMS1400 鋼疏浚管的氫含量,發現開裂鋼管的氫含量比鋼板 有所提高,其質量濃度約為0.2mg/L,表明管道在 服役過程中發生了明顯的氫擴散。疏浚過程中管道浸泡在海水中,易被海水腐蝕。此外,在加工過程中 管道表面容易殘留加工應力,使得管道表面處于張 應力狀態,管道表面受到劃擦時容易在應力作用下 形成微裂紋和應力集中,從而促進腐蝕的發生和氫 的滲透擴散[8-9],最終導致管道開裂。該 BMS1400 鋼疏浚管為應力腐蝕導致的開裂,同時具有氫致開 裂特征。
采用三輥式卷板機制作疏浚管時,鋼板的成形 加工包括鋼板兩邊的預彎、卷板及后續的滾圓。預 彎的弧度與壓頭直徑、壓頭尺寸及壓下量有關[10]。 本試驗中BMS1400鋼疏浚管的開裂位置集中在距 離直焊縫300~400mm的范圍內,恰好位于鋼板卷 板過程中的預彎區域。
加工普通鋼管時,預彎弧度不合適或長度不足 會導致管體在局部位置形成應力集中,但普通鋼管 強度低,應力集中程度不明顯。BMS1400鋼板強度 是普通鋼板的3~4倍,預彎弧度不合適或預彎長度 不足,滾圓時鋼板預彎區域將產生不均勻變形,形成 應力集中。另外,BMS1400鋼板強度較高,變形回 彈量高于普通板材,卷板時需要根據回彈量保持適 當過彎以減少管體圓周方向的張應力,要求卷板結束 時兩側的縫隙寬度不能超過3mm。實際操作中,過 彎量不足常導致管體縫隙寬度過大,過大的縫隙寬度 需要依靠外力將兩邊的鋼板強行并在一起進行直縫焊接,在外力卸載后管體存在極大的張應力,甚至超 過焊縫強度,導致管道焊縫附近區域發生開裂。
鋼板預彎長度不夠、預彎弧度與管體不一致和 直縫焊之前管體縫隙寬度過大,均會使預彎區域存 在較大的應力集中,使管體在外力作用下萌生裂紋, 微裂紋的存在進一步促進氫的擴散滲透,從而形成 應力腐蝕開裂和氫致開裂。
BMS1400鋼疏浚管表面劃傷也是開裂的一個重 要誘因。通常,表面微小的劃傷容易在腐蝕環境中誘 發管 道 開 裂,導 致 材 料 迅 速 失 效[11]。本 試 驗 中 BMS1400鋼疏浚管表面的劃痕深度超過0.3mm,且 劃痕內部可見數量眾多的微裂紋。在腐蝕環境中,管 道表面劃傷區域容易形成局部應力集中,誘發裂紋的 形成,促進氫的滲透擴散,從而加速材料失效。
3 結論
(1)BMS1400鋼疏浚管的化學成分、硬度和低 溫沖擊韌性均滿足技術要求,裂紋區域未見夾渣或 夾雜物。
(2)管道開裂屬于外力導致的應力腐蝕開裂, 開裂原因包括應力、海水腐蝕和氫元素。管道浸泡 在海水中,存在氫的滲透擴散,管道表面劃痕內部的 微裂紋進一步誘發氫致開裂,導致管道在應力集中 位置處發生開裂。
(3)管道開裂位置主要出現在鋼板卷取前的預 彎區域,表明開裂與卷板工藝不規范有關。制管加 工過程中,鋼板預彎長度不足、預彎弧度不當及過彎量不足均會導致管道在該區域產生應力集中,使管 道在外力作用下發生開裂。
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