分享：耐磨蚀BMS1400钢疏浚管开裂的原因

摘 要:耐磨蚀BMS1400疏浚管在服役过程中出现开裂渗漏,通过宏观观察、化学成分分析、力 学性能试验、显微组织观察和断口分析等方法,分析了疏浚管开裂的原因。结果表明:BMS1400疏 浚钢管的开裂是在氢致腐蚀、加工应力以及外力划伤等多因素综合作用下导致的应力腐蚀开裂;疏 浚过程中,管体浸泡在海水中易发生氢致开裂,钢板预弯长度不足、预弯弧度不当及过弯量不足均 会使预弯区域产生较大的应力集中,服役过程中管体表面划伤使应力集中域产生氢致裂纹,最终导 致管道发生开裂。

 关键词:疏浚管;耐磨蚀;BMS1400钢;开裂 

中图分类号:TG115                         文献标志码:B                    文章编号:1001-4012(2021)11-0020-03 

在围海造陆、航道疏浚等工程中,大量泥沙、砾 石以浆体的形式通过管道进行输送。在海洋工况条 件下,输送管道同时承受海水介质的腐蚀和浆体中 固体 颗 粒 的 磨 损,造 成 严 重 的 磨 蚀[1-2]。采 用 Q235B和Q345B普通碳素钢管时,因其耐磨蚀性能 较差,使用过程中需要频繁调换管体或维修[3],这不 仅增加了工作成本,还降低了作业的效率,难以满足 以上作业的要求。耐磨蚀BMS1400钢是针对海水 疏浚环境而开发的工作管道专用钢,具有耐蚀性、耐 磨损性能好等特点,其耐磨蚀性能是普通材料的2 倍[4],可有效提高工作效率。 

在某疏浚作业过程中,BMS1400钢管出现开裂 渗漏现象。裂纹主要沿管道长度方向扩展,少量裂 纹 沿 管 道 横 向 扩 展,裂 纹 距 离 直 焊 缝 300~ 400mm。笔者通过宏观观察、化学成分分析、力学 性能试验、显微组织观察等方法,并结合管道的服役 环境,分析了开裂的原因。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

管道内、外表面裂纹的宏观形貌如图1所示。由 图1可见:管道内表面裂纹长度约为280mm,两条主 裂纹尚未完全断开;管道外表面的裂纹整体上呈叉子状,长度约为360mm。从内外裂纹长度可以判断管 道是从外表面起裂,并逐渐向内表面扩展的。

1.2 化学成分分析 

根据ASTME1019-11《不同燃烧和熔融技术测 定钢、铁、镍、钴合金中碳、硫、氮、氧合量的标准试验 方法》和JISG1253-2002《钢铁火花放电原子发射 光谱分析法》,对开裂管道进行化学成分分析,在国 家认可的钢铁材料测试中心进行检测。由表1可 知,开裂管道的化学成分满足标准的技术要求。

1.3 力学性能试验 

按照GB/T231.1-2009《金属材料 布氏硬度试 验 第1部分:试验方法》和GB/T229-2007《金属材 料夏比摆锤冲击试验方法》,从管道裂纹附近区域取 样,进行布氏硬度试验和冲击试验。由表2可知,开 裂管道的冲击韧性和硬度均满足标准的技术要求。 

1.4 显微组织观察 

从管道裂纹附近处取样,经镶嵌、研磨后,用 4%(质量分数)硝酸酒精浸蚀,采用光学显微镜进行 观察。由图2可见,管道基体组织为正常的低温回 火马氏体组织。

1.5 断口分析 

在体视显微镜下观察管道外表面裂纹交叉位置 处的宏观形貌。由图3可见,管道外表面有两道较 为明显的划痕一直延伸到裂纹交叉位置,划痕深度 超过0.3mm,最深达0.75mm。由图4可见:划痕 内部存在大量肉眼可见的垂直于划痕的裂纹,开裂 面上有明显的起裂痕迹,裂纹表面可见明显的起源 区、雾化区和扩展区,可以确定该处为裂纹起裂位 置,表明管道开裂与贯穿该处的划痕有关;另外,裂 纹表面可见与裂纹扩展方向平行的台阶状和山脊状 凸起,并呈放射状分布。

从图3所示划痕位置取样,观察划痕内部裂纹 的微观形貌。由图5可见,划痕内部微裂纹深度约 为270μm,划痕表层存在明显的形变特征,表明在 外力作用下划痕处发生了剧烈的变形。在叉车起运 过程中管道容易受到叉车臂的碰撞、摩擦,在组装、 吊运过程中管道也容易发生撞击。当外力强度超过 了材料的屈服极限时,管道表面会形成较深的划痕 并产生局部应力集中,进而形成许多微裂纹。

从图1所示裂纹的末端取样,分别对外表面和 截面裂纹进行观察。由图6可见:外表面裂纹沿着 晶粒边界扩展,具有应力腐蚀和氢致开裂特征[5],裂 纹附近未见夹渣、夹杂物等缺陷,表明开裂与管道材 质无关;截面裂纹可见大量细小的二次裂纹,具有分 叉结构,尾部较为尖锐,呈明显的应力腐蚀特征[6-7]。 管道表面划伤后存在应力集中,在海水环境中容易 发生腐蚀,导致管道产生裂纹。

2 讨论 

分别测试了 BMS1400钢板和开裂 BMS1400 钢疏浚管的氢含量,发现开裂钢管的氢含量比钢板 有所提高,其质量浓度约为0.2mg/L,表明管道在 服役过程中发生了明显的氢扩散。疏浚过程中管道浸泡在海水中,易被海水腐蚀。此外,在加工过程中 管道表面容易残留加工应力,使得管道表面处于张 应力状态,管道表面受到划擦时容易在应力作用下 形成微裂纹和应力集中,从而促进腐蚀的发生和氢 的渗透扩散[8-9],最终导致管道开裂。该 BMS1400 钢疏浚管为应力腐蚀导致的开裂,同时具有氢致开 裂特征。

采用三辊式卷板机制作疏浚管时,钢板的成形 加工包括钢板两边的预弯、卷板及后续的滚圆。预 弯的弧度与压头直径、压头尺寸及压下量有关[10]。 本试验中BMS1400钢疏浚管的开裂位置集中在距 离直焊缝300~400mm的范围内,恰好位于钢板卷 板过程中的预弯区域。

加工普通钢管时,预弯弧度不合适或长度不足 会导致管体在局部位置形成应力集中,但普通钢管 强度低,应力集中程度不明显。BMS1400钢板强度 是普通钢板的3~4倍,预弯弧度不合适或预弯长度 不足,滚圆时钢板预弯区域将产生不均匀变形,形成 应力集中。另外,BMS1400钢板强度较高,变形回 弹量高于普通板材,卷板时需要根据回弹量保持适 当过弯以减少管体圆周方向的张应力,要求卷板结束 时两侧的缝隙宽度不能超过3mm。实际操作中,过 弯量不足常导致管体缝隙宽度过大,过大的缝隙宽度 需要依靠外力将两边的钢板强行并在一起进行直缝焊接,在外力卸载后管体存在极大的张应力,甚至超 过焊缝强度,导致管道焊缝附近区域发生开裂。 

钢板预弯长度不够、预弯弧度与管体不一致和 直缝焊之前管体缝隙宽度过大,均会使预弯区域存 在较大的应力集中,使管体在外力作用下萌生裂纹, 微裂纹的存在进一步促进氢的扩散渗透,从而形成 应力腐蚀开裂和氢致开裂。

BMS1400钢疏浚管表面划伤也是开裂的一个重 要诱因。通常,表面微小的划伤容易在腐蚀环境中诱 发管 道 开 裂,导 致 材 料 迅 速 失 效[11]。本 试 验 中 BMS1400钢疏浚管表面的划痕深度超过0.3mm,且 划痕内部可见数量众多的微裂纹。在腐蚀环境中,管 道表面划伤区域容易形成局部应力集中,诱发裂纹的 形成,促进氢的渗透扩散,从而加速材料失效。

3 结论 

(1)BMS1400钢疏浚管的化学成分、硬度和低 温冲击韧性均满足技术要求,裂纹区域未见夹渣或 夹杂物。 

(2)管道开裂属于外力导致的应力腐蚀开裂, 开裂原因包括应力、海水腐蚀和氢元素。管道浸泡 在海水中,存在氢的渗透扩散,管道表面划痕内部的 微裂纹进一步诱发氢致开裂,导致管道在应力集中 位置处发生开裂。 

(3)管道开裂位置主要出现在钢板卷取前的预 弯区域,表明开裂与卷板工艺不规范有关。制管加 工过程中,钢板预弯长度不足、预弯弧度不当及过弯量不足均会导致管道在该区域产生应力集中,使管 道在外力作用下发生开裂。

参考文献: 

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<文章来源   > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:20-22)>