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：大口徑高鋼級天然氣管道三通制造過(guò)程中因熱處理不合格易造成三通屈服強度不滿(mǎn)足標準要求。通過(guò)表面金相檢測，發(fā)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(guò)表面硬度測試，發(fā)現低強度三通硬度在170 HV10以下。采用壓痕微損檢測技術(shù)開(kāi)展了三通強度在線(xiàn)檢測，并與破壞性拉伸試驗結果進(jìn)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(shù)方案兼顧了經(jīng)濟性和可靠性，有進(jìn)一步推廣應用的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高鋼級三通強度；在線(xiàn)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(guò)程中，三通需經(jīng)過(guò)多次加熱及冷卻。熱處理是使三通管體及焊縫滿(mǎn)足各項力學(xué)性能指標的關(guān)鍵[1-3]。由于三通制造的特殊性，對三通力學(xué)性能和金相的檢驗采用組批抽測方法。某天然氣站場(chǎng)開(kāi)展全面檢驗時(shí)，發(fā)現X70三通主管與直管連接的變壁厚環(huán)焊縫存在泄漏，隨后對該三通及主管進(jìn)行動(dòng)火更換后進(jìn)行力學(xué)性能測試時(shí)，發(fā)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(jīng)分析，三通低強度原因為熱處理過(guò)程不受控。大量文獻表明，強度和硬度具有規律關(guān)系[4-8]。通過(guò)金相檢測分析材料顯微組織也是評價(jià)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(wú)損微損檢測技術(shù)，對如何在線(xiàn)排查高鋼級低強度三通開(kāi)展研究。

1  三通金相檢測

對現場(chǎng)低強度X70三通進(jìn)行切割，采用實(shí)驗室金相設備和現場(chǎng)表面金相設備對該三通S1和S3位置分別進(jìn)行表面金相檢測，結果對比見(jiàn)表 1，金相組織見(jiàn)圖 1。結果顯示實(shí)驗室與現場(chǎng)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�，F場(chǎng)表面金相檢測可用于異常三通排查。

表 1 實(shí)驗室和現場(chǎng)表面金相檢測結果對比

圖 1 實(shí)驗室和現場(chǎng)表面檢測金相組織

采用PTI-5500金相檢測儀對現場(chǎng)低強度X70三通S3位置進(jìn)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(chǎng)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(shù)規格書(shū)》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(chǎng)低強度X70三通進(jìn)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(jiàn)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(wú)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(guò)現場(chǎng)對9件低強度X70三通拉伸試樣開(kāi)展表面硬度測試，每個(gè)試樣測試9個(gè)值。圖 3為表面硬度與屈服強度和抗拉強度關(guān)系曲線(xiàn)，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(guān)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(jìn)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(shí)在壓痕法測試位置開(kāi)展表面金相和表面硬度測試。其中1#、2#測點(diǎn)位于三通主管端部3點(diǎn)鐘方向，3#測點(diǎn)位于支管處，測試位置見(jiàn)圖 4。測試結果見(jiàn)表 4。圖 5為1#測點(diǎn)壓痕法測試結果，包括壓痕載荷－深度曲線(xiàn)和獲得的壓痕真應力－真應變曲線(xiàn)。

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(diǎn)壓痕法檢測結果

可以發(fā)現，通過(guò)表面金相檢測和表面硬度測試可以判定1#測點(diǎn)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(guān)系。三通主管1#側點(diǎn)端部位置存在低強度。

為了進(jìn)一步驗證壓痕法測試的準確性，選取X80三通開(kāi)展壓痕法與單軸拉伸對比實(shí)驗，結果見(jiàn)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(xiàn)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(xué)性能及組織不均勻，應加強對三通制造環(huán)節尤其是熱處理環(huán)節的質(zhì)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(chǎng)質(zhì)檢，應用前景廣闊。

(3）在站場(chǎng)全面檢驗過(guò)程中也發(fā)現存在低韌性三通問(wèn)題。應進(jìn)一步研究建立低強度三通金相組織、硬度與強度的轉換關(guān)系，實(shí)現量化判定。國內小沖桿、壓痕法等微損檢測技術(shù)在材料斷裂韌性測試方面需開(kāi)展更深入的研究，以滿(mǎn)足現場(chǎng)對管材斷裂力學(xué)性能在線(xiàn)檢測需求。

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