20钢具有韧性好、塑性高、焊接性能好等特点，广泛应用于各类压力管道中。某合成氨企业大量使用20钢无缝承压管道，其管路中一段弯头在停车检修过程中因碰撞发生瞬时环向断裂现象，断裂位置如图1所示。

     该管路露天架空使用，设计寿命为20a，于2014年3月投入使用，在线运行近9a，执行标准为GB 6479—2013《高压化肥设备用无缝钢管》。断裂弯头为90°圆弧弯头，规格为219mm×24mm（外径× 壁厚），壁厚为24mm，弯曲半径为438mm，弯管与直管焊接连接。管道设计压力为16MPa，实际管内压力一般稳定在13.5MPa，介质温度为23~27℃，介质为醇后气，其中N2的体积分数为24.05%，H2的体积分数为74.21%，CO 的体积分数为0.5%，CO2的体积分数为0.2%，CH4的体积分数为1%，还含有微量甲醇。研究人员采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜（SEM）和能谱分析、力学性能测试、低倍检验、金相检验等方法对弯头断裂原因进行分析，以防止该类问题再次发生。

1、理化检验

1.1 宏观观察

     断裂弯头宏观形貌如图2所示。由图2可知：弯头内、外表面氧化均较明显，存在大量肉眼可见的氧化腐蚀坑；断裂截面壁厚不均，外弧侧减薄明显，厚度最小处为19.6mm，减薄原因主要为弯制过程中的拉伸变形及使用过程中的冲刷、腐蚀减薄，内弧侧最厚为29.6mm，主要由弯制过程中的挤压变形造成；断裂位于弯头45°处，断裂位置无明显宏观变形，断裂的两段可拼合复原；断口较为平齐，呈放射状花样，断口处未见其他肉眼可见缺陷，断口呈脆性断裂特征；图2b）中右侧椭圆区域为主裂纹源区，位于弯头内弧侧的外表面，断口上、下方的箭头指示区域为次裂纹源区，箭头方向指示裂纹的扩展方向。

1.2 化学成分分析

      从弯头断口附近截取试样，用火花原子发射光谱仪和氧氮氢分析仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu、V等元素成分均符合GB 6479—2013的要求，N元素含量高于GB 6479—2013的要求。

1.3 扫描电镜（SEM）和能谱分析

      在弯头断口裂纹源与裂纹扩展区分别取样，使用扫描电子显微镜对试样进行观察，结果如图3所示。由图3可知：断口的开裂方式主要为穿晶解理断裂，各部位均未发现异常缺陷及原始裂纹区域。

      利用附带的能谱仪对断口裂纹源处进行微区成分分析，结果如图4所示。由图4可知：断口裂纹源处主要含有Fe、O元素，还有少量的Al、Si、K、Cr和Mo元素，未发现S、Cl等腐蚀性元素。

1.4 力学性能测试

     在弯头断口附近及与弯头相连接的直管段分别截取横向拉伸、横向冲击（V型缺口）及截面试样，对这些试样进行力学性能测试，结果如表2所示。由表2可知：直管段力学性能均符合GB 6479—2013的要求；弯头段的拉伸曲线欠规则，抗拉强度、塑性延伸强度明显升高，断后伸长率远低于标准要求；弯头的冲击吸收能量明显低于GB 6479—2013的要求。冲击断口平齐，无明显塑性变形区，呈现闪亮的金属小刻面脆断特征，未发现裂纹、白点、分层、夹渣等缺陷。

1.5 低倍检验

      在断口附近截取试样，将试样置于盐酸水溶液中，加热至70℃，腐蚀20 min，快速刷洗、吹干试样后观察其低倍组织，结果如图5所示：弯头外弧侧1号区域组织较均匀，为等轴细晶区；2 号区域组织粗大，存在枝晶偏析，为树枝状晶体组成的柱状晶区；靠近内壁3 号区域存在大量环形疏松，越靠近内表面组织越差；未发现白点、鼓包、微裂纹等氢损伤痕迹。

1.6 金相检验

      在弯头断口内表面处、裂纹源处、冲击试样断口处分别截取试样，将试样研磨并抛光，再用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图6所示。由图6可知：内表面处显微组织为铁素体+ 片状珠光体+少量魏氏组织，魏氏组织评级为A 系列1级，存在带状组织；裂纹源处显微组织为铁素体+ 片状珠光体，有极少量碳化物沿铁素体晶界分布，组织基本正常；冲击断口处显微组织为铁素体+ 珠光体+ 少量魏氏组织，魏氏组织评级为A系列2级。说明弯头组织的均匀性较差，其显微组织与热酸浸试验后的低倍组织相吻合。

      在弯头裂纹源处、冲击试样上截取纵向试样，将试样磨制、抛光，并置于光学显微镜下观察，微观貌如图7所示。按照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》进行评级，裂纹源处为C类（硅酸盐类）夹杂物评级为细系0.5级（C0.5），D 类（球状氧化物类）夹杂物评级为细系1.5级（D1.5）；冲击试样为C类（硅酸盐类）夹杂物评级为细系0.5级（C0.5），D类（球状氧化物类）夹杂物评级为细系2.5级（D2.5）。弯头中非金属夹杂物数量较多，但尺寸较小，评级符合GB 6479—2013的要求。

2、综合分析

      由上述理化检验结果可知：弯头材料在断裂前已极度脆化，在一定外力作用下，弯头发生脆性断裂；弯管段硬度高于直管段，拉伸、冲击性能明显劣于直管段，这是因为冷加工变形导致材料晶格发生畸变，位错增加，表现为其韧性、塑性大大降低，硬度升高。钢管经冷弯变形后发生一定的加工硬化，应经正确的热处理后方可安装使用。HG/T  20256—2016 《化工高压管道通用技术规范》中要求，钢管冷成型后，应采取600~650 ℃的退火热处理制度来有效消除加工过程产生的硬化和应力。

      管坯或钢管在生产加工过程中存在工艺、温度控制不当等情况，使材料产生魏氏组织和带状组织，进一步降低了材料的塑性和冲击韧性，加剧了管件的脆化。低倍组织显示钢管中存在大量环形疏松与枝晶偏析，由此可推断：钢管厂购买的管坯存在较为明显的中心疏松（低熔点杂质和气体造成），钢管生产过程中，管坯因穿孔挤压，形成大量环形疏松与树枝状晶，影响了钢管组织的致密性，同时也降低了管件的横向力学性能。

      弯头中未发现氢含量异常，低倍检验与金相检验时也未发现氢损伤痕迹，且启裂位置在弯头外表面，而非接触介质的内壁，因此可排除可能由介质引起的氢脆现象。

      鉴于化工企业压力管道极易发生重大安全事故，后对其他位置管道取样检测，经查证，该牌号相同生成工艺的弯头均存在该类问题，直管部分性能均符合标准。

3、结论与建议

    （1）管件材料本身存在魏氏组织，带状组织及明显疏松、偏析等问题，经冷加工变形后未进行正确的热处理，劣化的材料与加工硬化现象共同导致了弯头的脆化。极度脆化的钢管受到一定的外力冲击，从而造成其一次性脆性断裂。

    （2）合成氨企业生产管路内介质多为高压易燃易爆气体，一旦管路发生问题，可能造成极为严重的后果，管件安装前应确保材料合格，且已经过正确的热处理，服役过程中也应进行定期常规检查，防止因载荷、压力等原因造成管道断裂甚至爆炸事故。

作者：张新占1，2，孙明华3，张道福3，臧伟1，2，乔广通1，2，亓海滨1，2

单位：1. 山东省机械设计研究院；

2.齐鲁工业大学（山东省科学院）机械工程学院；

3. 瑞星集团股份有限公司。

来源：《理化检验-物理分册》2024年第8期