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中心；2.西部管道公司生產運行部；3.西部管道公司工程技術部；4.西部管道公司物資部

 

摘要：大口徑高鋼級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度不滿足標準要求。通過表面金相檢測，發現低強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。通過表面硬度測試，發現低強度三通硬度在170 HV10以下。采用壓痕微損檢測技術開展了三通強度在線檢測，并與破壞性拉伸試驗結果進行對比，其抗拉強度檢測誤差小于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，以壓痕法檢測結果最終判定是否為低強度異常三通。該技術方案兼顧了經濟性和可靠性，有進一步推廣應用的價值。

關鍵詞：高鋼級三通強度；在線檢測；金相檢測；硬度檢測；壓痕檢測

 

大口徑高鋼級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，三通需經過多次加熱及冷卻。熱處理是使三通管體及焊縫滿足各項力學性能指標的關鍵[1-3]。由于三通制造的特殊性，對三通力學性能和金相的檢驗采用組批抽測方法。某天然氣站場開展全面檢驗時，發現X70三通主管與直管連接的變壁厚環焊縫存在泄漏，隨后對該三通及主管進行動火更換后進行力學性能測試時，發現該X70三通屈服強度在240 MPa～368 MPa之間，抗拉強度在450 MPa～565 MPa之間，低于標準下限值485 MPa和570 MPa要求。經分析，三通低強度原因為熱處理過程不受控。大量文獻表明，強度和硬度具有規律關系[4-8]。通過金相檢測分析材料顯微組織也是評價設備安全狀況的重要方法[9-13]。本文利用表面金相檢測、表面硬度測試和壓痕法檢測等無損微損檢測技術，對如何在線排查高鋼級低強度三通開展研究。

1  三通金相檢測

對現場低強度X70三通進行切割，采用實驗室金相設備和現場表面金相設備對該三通S1和S3位置分別進行表面金相檢測，結果對比見表 1，金相組織見圖 1。結果顯示實驗室與現場檢測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。現場表面金相檢測可用于異常三通排查。

表 1 實驗室和現場表面金相檢測結果對比

圖 1 實驗室和現場表面檢測金相組織

采用PTI-5500金相檢測儀對現場低強度X70三通S3位置進行外表面、心部和內表面金相檢測，檢測標準執行GB/T 13298―2015《金屬顯微組織檢驗方法》。圖 2（a）為正常X70三通金相組織，其內外表面為貝氏體，心部為貝氏體+鐵素體+少量珠光體。圖 2（b）為低強度X70三通金相組織，其內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，現場表面金相組織以鐵素體為主且含量大于50%可作為低強度三通判斷依據之一。

圖 2 正常三通與低強度三通金相檢測結果

2  三通硬度測試

CDP-S-OGP-PL-011-2014-3《油氣管道工程用DN400及以上管件技術規格書》規定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，未對三通硬度下限值做出規定。

采用TH140硬度計對現場低強度X70三通進行硬度測試，測試標準執行GB/T 17394-2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》，結果見表 2。低強度三通由于溫度梯度較小導致其表面和心部性能差異較小。表 3為某X80三通硬度測試結果。對比表 2和表 3，無論正常和異常三通，外表面強度均大于心部強度，外表面不合格則心部必然不合格。

表 2 低強度X70三通硬度測試結果

表 3 正常X80三通硬度測試結果

通過現場對9件低強度X70三通拉伸試樣開展表面硬度測試，每個試樣測試9個值。圖 3為表面硬度與屈服強度和抗拉強度關系曲線，表面硬度170 HV10對應的屈服強度和抗拉強度分別為350 MPa和551 MPa。對10件尚未使用的X70三通主管和支管表面硬度測試結果為105.5 HV10～199 HV10。綜上所述，建議以表面硬度在170 HV10以下作為低強度三通判斷依據之一。

圖 3 低強度X70三通表面硬度與屈服強度和抗拉強度關系

3  三通壓痕法測試

采用韓國Frontics AIS 3000Compact（Macro）壓痕檢測儀（最大載荷980 N），使用Φ500 um球型壓頭對某在役X80三通屈服強度和抗拉強度進行測試，測試標準執行GB/T 39635―2020《金屬材料 儀器化壓入法測定壓痕拉伸性能和殘余應力》。同時在壓痕法測試位置開展表面金相和表面硬度測試。其中1#、2#測點位于三通主管端部3點鐘方向，3#測點位于支管處，測試位置見圖 4。測試結果見表 4。圖 5為1#測點壓痕法測試結果，包括壓痕載荷－深度曲線和獲得的壓痕真應力－真應變曲線。

圖 4 X80三通測試位置
表 4 X80三通強度測試結果


圖 5 1#測點壓痕法檢測結果

可以發現，通過表面金相檢測和表面硬度測試可以判定1#測點為強度不合格位置，與壓痕法測試結果一致。表面硬度與壓痕法測試的屈服強度與抗拉強度存在對應關系。三通主管1#側點端部位置存在低強度。

為了進一步驗證壓痕法測試的準確性，選取X80三通開展壓痕法與單軸拉伸對比實驗，結果見表 5。壓痕法抗拉強度檢測誤差在6.15%內，可依據其測試結果最終判定在役三通是否為低強度異常三通。

表 5 單軸拉伸與壓痕法測試結果對比

4  結論

（1）針對高鋼級低強度三通在線檢測和排查難題，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，以壓痕法檢測結果最終判定在役三通是否為低強度異常三通。

（2）熱拉拔工藝制造的高鋼級三通各部位力學性能及組織不均勻，應加強對三通制造環節尤其是熱處理環節的質量控制。三通組批抽測增加了采購成本，且不能覆蓋所有制造三通。采用本文提出的低強度三通排查方法可應用于所有制造三通出廠質檢，應用前景廣闊。

(3）在站場全面檢驗過程中也發現存在低韌性三通問題。應進一步研究建立低強度三通金相組織、硬度與強度的轉換關系，實現量化判定。國內小沖桿、壓痕法等微損檢測技術在材料斷裂韌性測試方面需開展更深入的研究，以滿足現場對管材斷裂力學性能在線檢測需求。

 

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作者簡介：賈海東，1984年生，高級工程師，2009年畢業于西安交通大學，工學碩士，主要從事管道檢測及完整性評價工作。聯系方式：18699180205，jiahd@pipechina.com.cn。