摘要：本文通過(guò)一起S32205雙相不銹鋼制壓力管道爆燃事故分析，對(duì)事故彎頭進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)、成分分析、硬度檢測(cè)、鐵素體含量檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了雙相不銹鋼鐵素體含量對(duì)鋼材性能的影響，指出通常雙相鋼鐵素體和奧氏體各50%的設(shè)計(jì)未考慮熱成形或焊接熱加工對(duì)鐵素體量增加導(dǎo)致組織性能下降的影響，雙相不銹鋼鐵素體含量應(yīng)45%和奧氏體應(yīng)55%為適宜。

1. 引言

某石化項(xiàng)目加氫裂化裝置試車(chē),在氫氣升壓過(guò)程管線上一彎頭發(fā)生開(kāi)裂,導(dǎo)致氫氣介質(zhì)泄漏爆燃，經(jīng)濟(jì)損失巨大。該管線設(shè)計(jì)壓力：15.37MPa，設(shè)計(jì)溫度：200℃，操作壓力：13.76MPa，操作溫度：154℃，介質(zhì)：熱高分油氣（主要成份氫氣）。事故彎頭規(guī)格為Φ609.6mm×36mm，材質(zhì)為ASTM A815 S32205，直管材質(zhì)：ASTM A790 S31803。

現(xiàn)場(chǎng)檢查開(kāi)裂彎頭，彎頭本體開(kāi)裂連續(xù)長(zhǎng)度約1.84米，彎頭周長(zhǎng)為1.91米，開(kāi)裂在彎頭范圍之內(nèi)，幾乎貫穿整個(gè)圓周，裂縫斷口呈脆性斷裂特征，見(jiàn)圖1圖2。彎頭開(kāi)裂的邊緣一端接近焊縫，開(kāi)裂的另一端邊緣距離焊縫約160mm，在彎頭開(kāi)裂的焊縫另一側(cè)的焊接接頭熔合線有一條113mm的裂紋見(jiàn)圖3，深9.5mm，彎頭壁厚36mm，而該焊縫熔敷金屬未見(jiàn)開(kāi)裂。

該批彎頭管件在驗(yàn)收時(shí)進(jìn)行了10%的光譜檢測(cè)和100%滲透檢測(cè)，驗(yàn)收合格后投入安裝的，驗(yàn)收時(shí)的無(wú)損檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.無(wú)損檢測(cè)及理化檢測(cè)

2.1 彎頭及焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)

    對(duì)事故彎頭（下稱(chēng)No1彎頭）的本體及未發(fā)生事故的同類(lèi)彎頭（下稱(chēng)No2彎頭）本體進(jìn)行100%超聲檢測(cè)與滲透檢測(cè)檢測(cè)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了100%射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)與滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，除事故開(kāi)裂處及圖3的熔合線裂紋外，彎頭本體未見(jiàn)其它缺陷，這證明在彎頭事故前的無(wú)損檢測(cè)無(wú)缺陷的結(jié)果是可信的。

2.2管件的硬度與鐵素體含量檢測(cè)

2.2.1硬度檢測(cè)

    對(duì)No1彎頭和未開(kāi)裂的No2彎頭的本體使用里氏硬度計(jì)進(jìn)行全面網(wǎng)格硬度測(cè)定，硬度測(cè)定結(jié)果顯示：No1彎頭總共檢測(cè)了210點(diǎn)，硬度范圍HB240~HB344,均超過(guò)產(chǎn)品質(zhì)量證明書(shū)的測(cè)定值HB 215～HB225，其中有119點(diǎn)硬度值超過(guò)HB290（ASTM A815標(biāo)準(zhǔn)上限為HB290），彎頭外彎部位總共測(cè)了93點(diǎn)，硬度超過(guò)HB290的有69點(diǎn)。

No2完好彎頭硬度總共檢測(cè)了192點(diǎn)，硬度范圍HB240~HB325,均超過(guò)產(chǎn)品質(zhì)量證明書(shū)的測(cè)定值HB 215～HB225，其中有74點(diǎn)硬度值超過(guò)HB290（ASTM A815標(biāo)準(zhǔn)上限為HB290），彎頭外彎部位總共測(cè)了93點(diǎn)，硬度超標(biāo)的有47點(diǎn)。

2.2.2鐵素體含量檢測(cè)

   分別對(duì)No1彎頭和No2彎頭的外壁進(jìn)行鐵素體含量測(cè)定各測(cè)72點(diǎn)，No1彎頭的鐵素體含量為46.9%～71.7%， No2彎頭的鐵素體含量為 41.6%～69.4%；No1彎頭所連直管鐵素體含量為 44.6%～59.4%，No2彎頭所連直管鐵素體含量為 44.6%～56.5%，No1、No2彎頭各有超過(guò)20%以上測(cè)試點(diǎn)鐵素體含量超過(guò)60%。相對(duì)直管而言，No1彎頭和No2彎頭鐵素體，含量不均勻，波動(dòng)范圍較大，高限超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許值60%鐵素體含量，不滿(mǎn)足GB/T21833-2008《奧氏體鐵素體雙相不銹鋼無(wú)縫鋼管》中第5.9條規(guī)定鐵素體含量為40%～60%的要求。

表2   彎頭的鐵素體含量

2.3管件的成分檢測(cè)、金相檢驗(yàn)與力學(xué)性能檢測(cè)

2.3.1成分檢測(cè)

截取彎頭和直管進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果(見(jiàn)表3 )表明，彎頭和直管的化學(xué)成分均能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3.2金相檢驗(yàn)

    對(duì)No1彎頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金相組織異常粗大(晶粒尺寸達(dá)到2～6mm，見(jiàn)圖4)，晶粒度低于00級(jí)，比正常晶粒尺寸增大約100倍，表現(xiàn)出典型的過(guò)熱組織特征，No2彎頭金相組織也有一定的過(guò)熱特征（見(jiàn)圖5），晶粒尺寸小于No1彎頭。No1及No2彎頭相連的直管段金相組織正常。

2.3.3力學(xué)性能檢測(cè)

2.3.3.1延伸率

    事故彎頭外弧部位截取4件拉伸試樣中有3件試樣的延伸率不符合ASTM A815標(biāo)準(zhǔn)中延伸率應(yīng)大于25%的要求，4件拉伸試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果分別為20%、22%、24%、27%，其中延伸率為20%、22% 的試件處于靠近開(kāi)裂處的彎頭外弧位置。

2.3.3.2沖擊功

    直管試件的沖擊功為292J,292J,293J,No1彎頭外弧位置的沖擊功為149J,174J,160J。熱成形加工后的彎頭沖擊功明顯低于直管段的沖擊功。資料【1】顯示沖擊功應(yīng)大于250J。

3.型式試驗(yàn)

    根據(jù)TSGD7002－2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》【2】的規(guī)定，相應(yīng)管件應(yīng)經(jīng)TSGD7002－2006規(guī)定的型式試驗(yàn)（技術(shù)文件審查、樣品檢驗(yàn)測(cè)試和安全性能試驗(yàn)）來(lái)驗(yàn)證熱加工成形的產(chǎn)品安全性能是否滿(mǎn)足安全技術(shù)要求。而該批管件提供的型式試驗(yàn)報(bào)告是冷成形加工工藝，與該批管件實(shí)際熱加工成型工藝不符合。也就是該批管件實(shí)際熱加工的工藝未經(jīng)TSG D7002 TSG D7002安全技術(shù)規(guī)范規(guī)定的型式試驗(yàn)的驗(yàn)證，管件的安全性能質(zhì)量無(wú)法保證。

4.分析討論

4.1針對(duì)已成形缺陷的無(wú)損檢測(cè)

    雙相鋼管件在施工前驗(yàn)收時(shí)做了超聲、滲透檢測(cè)，經(jīng)No1彎頭和No2彎頭事故前后的超聲、滲透檢測(cè)對(duì)比，事故前后的彎頭無(wú)損檢測(cè)結(jié)果是一致的。也就是在開(kāi)裂前，彎頭不存在裂紋等缺陷。對(duì)于在開(kāi)裂彎頭焊縫另一側(cè)熔合線發(fā)現(xiàn)的113mm長(zhǎng)的裂紋，經(jīng)核查事故前射線底片，該位置事故前無(wú)裂紋，此裂紋被認(rèn)為是事故中產(chǎn)生的。綜合對(duì)比前后無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，可以判定事故前彎頭無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果是可信的，彎頭沒(méi)有存在已成形缺陷如裂紋、未焊透、未熔合等，但是后來(lái)在彎頭本體產(chǎn)生了1.91米長(zhǎng)的脆性大開(kāi)口開(kāi)裂，因此僅針對(duì)可能存在的已成形缺陷（如裂紋、未焊透、未熔合等）的無(wú)損檢測(cè)是不夠的、是有局限性的。

4.2針對(duì)成分組織性能不合格（未成形缺陷）的無(wú)損檢測(cè)

    安裝時(shí)施工單位按照SH/T3501的要求，對(duì)管件按質(zhì)證書(shū)、外觀、尺寸規(guī)格、標(biāo)志、光譜10%、表面檢測(cè)100%進(jìn)行驗(yàn)收，其中光譜是針對(duì)成分的檢測(cè)，表面檢測(cè)是針對(duì)已成形缺陷的檢測(cè)，未按安全技術(shù)規(guī)范TSGD7002－2006的規(guī)定進(jìn)行型式試驗(yàn)證書(shū)的檢查，也未按ASTM A815【3】及GB/T21833-2008規(guī)定對(duì)管件的組織性能進(jìn)行檢測(cè)，即未檢測(cè)鐵素體含量和硬度。

   成分分析（含光譜檢測(cè)）屬于成分檢測(cè)，鐵素體含量測(cè)試屬于組織檢測(cè)，硬度檢測(cè)屬于性能檢測(cè)。在金相組織中馬氏體硬度高于珠光體，珠光體硬度高于鐵素體，鐵素體的硬度高于奧氏體，故通過(guò)硬度值可大致了解材料的金相組織、以及材料在加工過(guò)程中的組織變化和熱處理效果。No1彎頭和No2彎頭成分檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但鐵素體含量超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定60%，硬度值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HB290,證明No1彎頭和No2彎頭雖然化學(xué)成分符合要求，但組織性能發(fā)生了劣化，施工前必須按專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范TSGD7002－2006、ASTM A815及GB/T21833-2008的要求，進(jìn)行型式試驗(yàn)的檢查和組織性能檢測(cè)（鐵素體含量檢測(cè)、硬度檢測(cè)）。

4.3 工藝加工性與使用耐久性

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定S32205雙相不銹鋼固溶處理溫度為1020℃~1100℃，當(dāng)加熱到1200℃以上時(shí)，S32205雙鋼鋼高溫延伸率會(huì)大大提高，可達(dá)1200%，極便于加工成型，但冷卻后會(huì)導(dǎo)致晶粒急劇粗大，性能急劇劣化，表現(xiàn)為硬度超過(guò)HB290，鐵素體含量超過(guò)60%，材質(zhì)脆化。因此S32205雙相不銹鋼熱加工時(shí)（含焊接）不僅應(yīng)考慮工藝加工性的便利，更要考慮加工成型后的使用耐久性，而使用耐久性是由組織和性能決定的。通過(guò)工藝控制S32205雙相不銹鋼鐵素體含量低于60%，盡量接近于50%的中間值，硬度低于HB290，盡量接近于原材料硬度值，是保證S32205雙相不銹鋼使用耐久性（避免開(kāi)裂）的關(guān)鍵因素。

4.4彎頭的失效機(jī)理

從試驗(yàn)和檢查數(shù)據(jù)看，No1開(kāi)裂彎頭及同批管件由于使用未經(jīng)型式試驗(yàn)驗(yàn)證合格的工藝進(jìn)行熱加工，造成晶粒粗大、硬度超標(biāo)、鐵素體含量超標(biāo)、延伸率下降、沖擊韌性下降、材質(zhì)脆化，導(dǎo)致No1彎頭發(fā)生了開(kāi)裂，而同批管件由于工藝相同，存在材質(zhì)劣化導(dǎo)致開(kāi)裂的可能。

隨著固溶處理溫度的升高，鐵素體相的比例增加，奧氏體相的比例下降。1200℃以上固溶鐵素體晶粒顯著增大【4】。據(jù)文獻(xiàn)【5】不同固溶溫度下2205雙相不銹鋼兩相比例見(jiàn)表4

由表4可以看鐵素體含量是隨著固溶溫度的提高而提高的，當(dāng)鐵素體含量為65.4%時(shí)對(duì)應(yīng)固溶溫度是1300℃，這大大超過(guò)ASTM A815及 GB/T21833-2008規(guī)定的S32205雙相不銹鋼固溶處理1020~1100℃范圍的要求。鐵素體含量大于60%的超標(biāo)和硬度的大于HB290的超標(biāo)可以揭示雙相鋼熱加工固溶處理溫度的超過(guò)1100℃的超標(biāo)。

雙相不銹鋼具有鐵素體+奧氏體的兩相組織結(jié)構(gòu)，通常將鐵素體/奧氏體控制在50%／50%(體積分?jǐn)?shù))，所以它同時(shí)具有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的性能特點(diǎn)。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，并且還保留了鐵素體不銹鋼熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小、具有超塑性等特點(diǎn)；與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼強(qiáng)度較高，特別是屈服強(qiáng)度顯著提高，且耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能都有明顯的改善。

由于隨著熱加工固溶溫度的升高，S32205雙相不銹鋼組織中的鐵素體相含量是逐漸增加的，而當(dāng)鐵素體含量超過(guò)60%時(shí)，雙相鋼晶粒急劇粗大【5】，硬度急劇上升，材質(zhì)脆化。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未考慮焊接等熱加工后導(dǎo)致鐵素體含量增加對(duì)組織性能下降的影響，因此應(yīng)把鐵素體相與奧氏體相比值從50%:50%調(diào)整為45%：55%，為管件熱成形、焊接等熱加工預(yù)留鐵素體相增加的空間，防止熱加工后鐵素體相增加導(dǎo)致的材質(zhì)脆化。焊接是一個(gè)急劇加熱冷卻熱循環(huán)過(guò)程，GB50517、SH3501、SH/T3558對(duì)焊縫金屬鐵素體含量規(guī)定為30%~60%是適宜的。焊接過(guò)熱區(qū)經(jīng)歷過(guò)急劇的熱循環(huán)，也存在晶粒粗大，硬度升高，過(guò)熱導(dǎo)致鐵素體相增加的問(wèn)題，因此在熔合線產(chǎn)生了圖3的熔合線裂紋。

4.5基于失效機(jī)理的無(wú)損檢測(cè)

    現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)的定義：在不損壞試件的前提下，以物理或化學(xué)方法為手段，借助先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)，狀態(tài)進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。從定義來(lái)看，四項(xiàng)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)，聲發(fā)射，渦流屬于無(wú)損檢測(cè)，硬度、鐵素體含量、光譜、金相檢測(cè)也屬于無(wú)損檢測(cè)。

通常的無(wú)損檢測(cè)指射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、渦流檢測(cè)、目視檢測(cè)以及TOFD檢測(cè)和相控陣檢測(cè)等，主要是針對(duì)材料中存在的不連續(xù)（缺陷）的檢測(cè)，通常大家關(guān)注已成形缺陷（如裂紋、未焊透等）的檢測(cè)，以及持續(xù)關(guān)注檢測(cè)技術(shù)的提升，而沒(méi)有未成形缺陷（材料中存在的成分組織性能不合格）的加以關(guān)注，而材料成分組織性能的不合格更容易轉(zhuǎn)化為成形缺陷產(chǎn)生斷裂等嚴(yán)重事故。

TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》8.2.1規(guī)定應(yīng)當(dāng)根據(jù)壓力容器的使用情況、損傷模式及失效模式，制定檢驗(yàn)方案，也就是要通過(guò)查閱研究以往同類(lèi)資料，根據(jù)設(shè)備的使用情況，事先掌握該設(shè)備材料失效模式，有重點(diǎn)有針對(duì)性制定檢驗(yàn)檢測(cè)方案，避免無(wú)的放矢，造成漏檢。檢驗(yàn)方案中有針對(duì)性的方法的遺漏是別的檢測(cè)方法所無(wú)法彌補(bǔ)的。

S32205雙相不銹鋼失效機(jī)理就是熱加工溫度超過(guò)1100℃后，會(huì)產(chǎn)生晶粒粗大，鐵素體含量大于60%，硬度超過(guò)HB290，材料脆化，但不一定馬上產(chǎn)生開(kāi)裂，因此應(yīng)針對(duì)失效機(jī)理在管件驗(yàn)收時(shí)應(yīng)進(jìn)行質(zhì)證書(shū)核查、型式試驗(yàn)證書(shū)核查、外觀檢查、尺寸規(guī)格檢查、標(biāo)志的檢查，光譜檢測(cè)，100%的表面檢測(cè)，100%的硬度檢測(cè)，100%的鐵素體檢測(cè)，100%的測(cè)厚檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)不僅要針對(duì)已成形缺陷，也要針對(duì)未成形缺陷的成分組織性能的不合格，已成形的缺陷是缺陷，未成形的成分組織性能的缺陷也是缺陷，有時(shí)未成形的缺陷比已成形的缺陷危害更大，只有基于失效機(jī)理的無(wú)損檢測(cè)才是有效的無(wú)損檢測(cè)。

5.結(jié)論

5.1、廣義的無(wú)損檢測(cè)不僅應(yīng)包括對(duì)已成形缺陷的檢測(cè)，還應(yīng)該包括未成形缺陷（成分組織性能不合格）的無(wú)損檢測(cè)，常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)不能（成分組織性能的不合格），基于失效機(jī)理的無(wú)損檢測(cè)可以檢出未成形缺陷，實(shí)現(xiàn)失效的早期預(yù)警。

5.2、硬度檢測(cè)作為性能快速檢測(cè)的方法應(yīng)在材料失效預(yù)警的檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。

5.3、S32205雙相不銹鋼管件在檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)采取鐵素體含量檢測(cè)和硬度檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)組織性能失效的預(yù)警。S32205雙相鋼鐵素體含量應(yīng)嚴(yán)格控制60%以下并接近于50%的中間值，硬度應(yīng)嚴(yán)格控制HB290以下，硬度值達(dá)到或超過(guò)HB290、鐵素體含量達(dá)到或超過(guò)60%，極易發(fā)生開(kāi)裂失效。

5.4、鐵素體含量大于60%和硬度值大于HB290的超標(biāo)揭示的是S32205雙相不銹鋼熱加工處理溫度大于1100℃的超標(biāo)和組織的脆化。

5.5、考慮焊接和熱加工成形導(dǎo)致鐵素體含量增加對(duì)組織性能下降的影響，S32205雙相鋼鐵素體含量應(yīng)控制45%（30%~60%）左右為宜，焊縫鐵素體含量應(yīng)控制在30%~60%，鐵素體含量接近或超過(guò)60%極易發(fā)生脆化開(kāi)裂失效。