T3紫铜输油管断裂原因分析

王 凡,刘素芬,张志伟,刘晓斌,赵豫东,温铁丽

(中国兵器工业第五二研究所,包头014034)

T3紫铜输油管断裂原因分析

王 凡,刘素芬,张志伟,刘晓斌,赵豫东,温铁丽

(中国兵器工业第五二研究所,包头014034)

某电厂用T3紫铜输油管使用约半年时间发生断裂失效。采用宏观检验、断口微观分析、能谱分析、金相检验的方法,对该紫铜输油管的断裂原因进行了分析。结果表明:输油管的断裂类型属于应力腐蚀开裂;管内的长效润滑油中含有应力腐蚀敏感介质硫和氯元素,且输油管弯曲部位存在较大拉应力,导致该紫铜输油管发生应力腐蚀开裂。

紫铜;输油管;腐蚀介质;拉应力;应力腐蚀开裂

紫铜以其优良的耐蚀性、耐高温、耐高压和易于弯曲变形、安装等特点,被广泛用作油管材料。某电厂使用的ϕ10 mm×2 mm输油管,采用T3紫铜材料制造,工作温度为45～55℃,管内压力为3.5 MPa,管内介质为32号长效润滑油。该输油管使用约半年后发生断裂事故,输油管的断裂形貌如图1所示。

为了查明输油管的断裂原因,笔者对其断口形貌、化学成分、微观组织进行了理化检验和分析。

图1 输油管的断裂形貌Fig.1 Cracking morphology of the oil pipe

1 理化检验

1.1 宏观检验

由图1可见,该输油管在形状变化的拐点处沿横向开裂;断面无明显塑性变形,呈宏观脆性断裂特征,如图2所示。仔细观察断口形貌,发现断面颜色有差别。断面以亮红色为主,但在内壁沟痕处可见一暗红色区域,显示为陈旧断口特征,即该处早于其他部位开裂,因此判断该区域为裂纹源,见图3。

1.2 断口微观分析及能谱分析

采用扫描电镜(SEM)对断口进行微观分析,可见裂纹源处内壁形貌以冰糖状沿晶断口为主,其上可见二次沿晶裂纹,呈脆性断裂特征,见图4;远离裂纹源处断口的扫描电镜形貌则以撕裂棱和韧窝为主,呈韧性断裂特征,见图5。

图2 输油管断口的宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture of the oil pipe

图3 输油管断口的裂纹源形貌Fig.3 Morphology of the crack source area of the fracture of the oil pipe

图4 裂纹源处的扫描电镜形貌Fig.4 SEM morphology of the crack source area

图5 远离裂纹源处的扫描电镜形貌Fig.5 SEM morphology away from the crack source area

对断口进行能谱(EDS)分析,在裂纹源区域检测到有硫、氯元素存在,见图6;在远离裂纹源区域未见有硫、氯元素,见图7。该结果说明裂纹源处断口受到含有氯、硫元素的腐蚀介质的作用,且该腐蚀介质来源于输油管内壁。

图6 裂纹源区域的背散射电子像和能谱分析结果Fig.6 The（a）backscattered electron image and（b）EDS analysis result of the crack source area

图7 远离裂源区域的背散射电子像和能谱分析结果Fig.7 The（a）backscattered electron image and（b）EDS analysis result away from the crack source area

1.3 金相检验

在输油管断口附近未腐蚀区域截取金相试样,抛光后进行观察,组织中未见夹杂物、针孔等宏观缺陷。试样经侵蚀后进行金相检验,如图8所示,可见显微组织为单相α固溶体,属于紫铜材料的正常组织。

图8 输油管的显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of the oil pipe

2 分析与讨论

该紫铜输油管的内部介质为32号长效润滑油,长效润滑油是指含有极压添加剂的润滑油,而极压添加剂是含有硫、氯、氮、磷的有机极性化合物。与普通润滑油相比,它虽然能够承受重载荷、冲击载荷和降低机械磨损[1],但其中的硫、氯、氮、磷元素在一定的条件下也会使管壁发生腐蚀现象。

检测结果表明,输油管断面上颜色深的区域为裂纹源,起始于内壁表面。从能谱分析结果可知,裂纹源处检测到了硫、氯元素,在远离裂纹源处未检测到硫、氯元素,表明开裂与硫、氯腐蚀介质相关,而氯化物是铜及铜合金发生应力腐蚀的敏感介质[2-3]。从断口形貌上分析,裂纹源处断口形貌以沿晶为主,但在远离裂纹源的区域,断口形貌以韧窝为主。紫铜属于韧性材料,开裂后的断口应以韧窝为主,但从晶体结构上来说,紫铜材料属于面心立方结构,因此发生氯化物应力腐蚀开裂时断面以沿晶为主[4]。从输油管的断裂位置来看,断口位于弯曲的拐点处,使用过程中由于内壁介质为流动的润滑油。油管的弯曲使得内壁介质流动方向发生变化,管壁的受力方向也随之改变,拐点处就会产生一个与其相切并与管壁成一定角度的拉应力,见图9。同时,在工作状态下由内部介质产生的温度变化和压力,及管壁处机械加工沟痕引起的应力集中[5-6],也会进一步加大拐点处的拉应力。

图9 输油管管壁受力示意图Fig.9 The sketch diagram of the stress of the oil pipe wall

综合分析以上结果,确定紫铜输油管的开裂属于氯化物导致的应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂是金属材料在静拉伸应力和特定的腐蚀介质协同作用下出现的低于其强度极限的脆性开裂,它对构件的危害是致命性的,通常导致构件突发性断裂失效。

3 结论及建议

该紫铜输油管内的32号长效润滑油中含有硫、氯等腐蚀性元素,在使用过程中,由于管内介质的流动、压力和温度变化,造成弯曲部位的拐点处存在较大的拉应力,从而使其在该处发生沿晶型应力腐蚀开裂。

建议在管路的结构设置上增加油管的固定措施,避免因振动使拐弯处产生拉应力;建议选用氯含量更低的优质32号长效润滑油,避免应力腐蚀的发生。

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Analysis on Fracture Reasons of the T3 Red Copper Oil Pipe

WANG Fan,LIU Su-fen,ZHANG Zhi-wei,LIU Xiao-bin,ZHAO Yu-dong,WEN Tie-li
(The 52 Research Institute of China Ordnance Industry,Baotou 014034,China)

One T3 red copper oil pipe of a power plant fractured after used for half a year.The fracture reasons of the red copper oil pipe were analyzed by methods of macrographic examination,fracture micro analysis, energy spectrum analysis and metallographic examination.The results show that:the fracture type of the oil pipe was stress corrosion cracking;the long-term lubricating oil contained the medium of chlorine and sulfur sensitive to the stress corrosion,and the tensile stress existed in the bending position of the oil pipe,and those factors resulted in the stress corrosion cracking of the red copper oil pipe.

red copper;oil pipe;corrosive medium;tensile stress;stress corrosion cracking

TG146.1+1

:B

:1001-4012(2017)01-0070-03

10.11973/lhjy-wl201701016

2016-03-15

王凡(1972—),女,高级工程师,主要从事金属材料的理化检验工作。

刘素芬(1964—),女,高级工程师,主要从事金属材料的理化检验与失效分析工作,1018460014＠qq.com。