賈海東1 胡旭2 李春泉3 王寶山4

1.西部管道公司科技信息服務(wù)中心；2.西部管道公司生產(chǎn)運(yùn)行部；3.西部管道公司工程技術(shù)部；4.西部管道公司物資部

摘要：大口徑高鋼級(jí)天然氣管道三通制造過程中因熱處理不合格易造成三通屈服強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過表面金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度三通金相以鐵素體組織為主，且含量大于50%，而正常三通以貝氏體組織為主。通過表面硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度三通硬度在170 HV10以下。采用壓痕微損檢測(cè)技術(shù)開展了三通強(qiáng)度在線檢測(cè)，并與破壞性拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其抗拉強(qiáng)度檢測(cè)誤差小于6.15%。提出以三通表面金相組織鐵素體為主且表面硬度低于170 HV10作為初步判定，以壓痕法檢測(cè)結(jié)果最終判定是否為低強(qiáng)度異常三通。該技術(shù)方案兼顧了經(jīng)濟(jì)性和可靠性，有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高鋼級(jí)三通強(qiáng)度；在線檢測(cè)；金相檢測(cè)；硬度檢測(cè)；壓痕檢測(cè)

大口徑高鋼級(jí)天然氣管道三通常采用熱拉拔工藝制造。在熱擠壓成型過程中，三通需經(jīng)過多次加熱及冷卻。熱處理是使三通管體及焊縫滿足各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的關(guān)鍵[1-3]。由于三通制造的特殊性，對(duì)三通力學(xué)性能和金相的檢驗(yàn)采用組批抽測(cè)方法。某天然氣站場(chǎng)開展全面檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)X70三通主管與直管連接的變壁厚環(huán)焊縫存在泄漏，隨后對(duì)該三通及主管進(jìn)行動(dòng)火更換后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)該X70三通屈服強(qiáng)度在240 MPa～368 MPa之間，抗拉強(qiáng)度在450 MPa～565 MPa之間，低于標(biāo)準(zhǔn)下限值485 MPa和570 MPa要求。經(jīng)分析，三通低強(qiáng)度原因?yàn)闊崽幚磉^程不受控。大量文獻(xiàn)表明，強(qiáng)度和硬度具有規(guī)律關(guān)系[4-8]。通過金相檢測(cè)分析材料顯微組織也是評(píng)價(jià)設(shè)備安全狀況的重要方法[9-13]。本文利用表面金相檢測(cè)、表面硬度測(cè)試和壓痕法檢測(cè)等無損微損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)如何在線排查高鋼級(jí)低強(qiáng)度三通開展研究。

1  三通金相檢測(cè)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)低強(qiáng)度X70三通進(jìn)行切割，采用實(shí)驗(yàn)室金相設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)表面金相設(shè)備對(duì)該三通S1和S3位置分別進(jìn)行表面金相檢測(cè)，結(jié)果對(duì)比見表 1，金相組織見圖 1。結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的金相組織均以鐵素體為主，含有少量貝氏體和珠光體，晶粒度接近�，F(xiàn)場(chǎng)表面金相檢測(cè)可用于異常三通排查。

表 1 實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)表面金相檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖 1 實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)表面檢測(cè)金相組織

采用PTI-5500金相檢測(cè)儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)低強(qiáng)度X70三通S3位置進(jìn)行外表面、心部和內(nèi)表面金相檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T 13298―2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。圖 2（a）為正常X70三通金相組織，其內(nèi)外表面為貝氏體，心部為貝氏體+鐵素體+少量珠光體。圖 2（b）為低強(qiáng)度X70三通金相組織，其內(nèi)外表面和心部金相均以鐵素體為主，且含量大于50%，含有少量貝氏體和珠光體。因此，現(xiàn)場(chǎng)表面金相組織以鐵素體為主且含量大于50%可作為低強(qiáng)度三通判斷依據(jù)之一。

圖 2 正常三通與低強(qiáng)度三通金相檢測(cè)結(jié)果

2  三通硬度測(cè)試

CDP-S-OGP-PL-011-2014-3《油氣管道工程用DN400及以上管件技術(shù)規(guī)格書》規(guī)定YY485-PSL2和YY555-PSL2的X70和X80三通最大允許硬度值HV10分別為285和300，未對(duì)三通硬度下限值做出規(guī)定。

采用TH140硬度計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)低強(qiáng)度X70三通進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T 17394-2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》，結(jié)果見表 2。低強(qiáng)度三通由于溫度梯度較小導(dǎo)致其表面和心部性能差異較小。表 3為某X80三通硬度測(cè)試結(jié)果。對(duì)比表 2和表 3，無論正常和異常三通，外表面強(qiáng)度均大于心部強(qiáng)度，外表面不合格則心部必然不合格。

表 2 低強(qiáng)度X70三通硬度測(cè)試結(jié)果

表 3 正常X80三通硬度測(cè)試結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)9件低強(qiáng)度X70三通拉伸試樣開展表面硬度測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)試9個(gè)值。圖 3為表面硬度與屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線，表面硬度170 HV10對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為350 MPa和551 MPa。對(duì)10件尚未使用的X70三通主管和支管表面硬度測(cè)試結(jié)果為105.5 HV10～199 HV10。綜上所述，建議以表面硬度在170 HV10以下作為低強(qiáng)度三通判斷依據(jù)之一。

圖 3 低強(qiáng)度X70三通表面硬度與屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度關(guān)系

3  三通壓痕法測(cè)試

采用韓國Frontics AIS 3000Compact（Macro）壓痕檢測(cè)儀（最大載荷980 N），使用Φ500 um球型壓頭對(duì)某在役X80三通屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T 39635―2020《金屬材料 儀器化壓入法測(cè)定壓痕拉伸性能和殘余應(yīng)力》。同時(shí)在壓痕法測(cè)試位置開展表面金相和表面硬度測(cè)試。其中1#、2#測(cè)點(diǎn)位于三通主管端部3點(diǎn)鐘方向，3#測(cè)點(diǎn)位于支管處，測(cè)試位置見圖 4。測(cè)試結(jié)果見表 4。圖 5為1#測(cè)點(diǎn)壓痕法測(cè)試結(jié)果，包括壓痕載荷－深度曲線和獲得的壓痕真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線。

圖 4 X80三通測(cè)試位置
表 4 X80三通強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果


圖 5 1#測(cè)點(diǎn)壓痕法檢測(cè)結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)，通過表面金相檢測(cè)和表面硬度測(cè)試可以判定1#測(cè)點(diǎn)為強(qiáng)度不合格位置，與壓痕法測(cè)試結(jié)果一致。表面硬度與壓痕法測(cè)試的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。三通主管1#側(cè)點(diǎn)端部位置存在低強(qiáng)度。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證壓痕法測(cè)試的準(zhǔn)確性，選取X80三通開展壓痕法與單軸拉伸對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表 5。壓痕法抗拉強(qiáng)度檢測(cè)誤差在6.15%內(nèi)，可依據(jù)其測(cè)試結(jié)果最終判定在役三通是否為低強(qiáng)度異常三通。

表 5 單軸拉伸與壓痕法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4  結(jié)論

（1）針對(duì)高鋼級(jí)低強(qiáng)度三通在線檢測(cè)和排查難題，提出了采用表面金相、表面硬度和壓痕法組合排查方案。以表面金相鐵素體為主且表面硬度低于170 HV10初步判定，以壓痕法檢測(cè)結(jié)果最終判定在役三通是否為低強(qiáng)度異常三通。

（2）熱拉拔工藝制造的高鋼級(jí)三通各部位力學(xué)性能及組織不均勻，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)三通制造環(huán)節(jié)尤其是熱處理環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。三通組批抽測(cè)增加了采購成本，且不能覆蓋所有制造三通。采用本文提出的低強(qiáng)度三通排查方法可應(yīng)用于所有制造三通出廠質(zhì)檢，應(yīng)用前景廣闊。

(3）在站場(chǎng)全面檢驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)存在低韌性三通問題。應(yīng)進(jìn)一步研究建立低強(qiáng)度三通金相組織、硬度與強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)量化判定。國內(nèi)小沖桿、壓痕法等微損檢測(cè)技術(shù)在材料斷裂韌性測(cè)試方面需開展更深入的研究，以滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管材斷裂力學(xué)性能在線檢測(cè)需求。

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作者簡(jiǎn)介：賈海東，1984年生，高級(jí)工程師，2009年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，工學(xué)碩士，主要從事管道檢測(cè)及完整性評(píng)價(jià)工作。聯(lián)系方式：18699180205，jiahd@pipechina.com.cn。