T3紫銅輸油管斷裂原因分析

王 凡,劉素芬,張志偉,劉曉斌,趙豫東,溫鐵麗

(中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所,包頭014034)

T3紫銅輸油管斷裂原因分析

王 凡,劉素芬,張志偉,劉曉斌,趙豫東,溫鐵麗

(中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所,包頭014034)

某電廠用T3紫銅輸油管使用約半年時(shí)間發(fā)生斷裂失效。采用宏觀檢驗(yàn)、斷口微觀分析、能譜分析、金相檢驗(yàn)的方法,對(duì)該紫銅輸油管的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:輸油管的斷裂類型屬于應(yīng)力腐蝕開裂;管內(nèi)的長(zhǎng)效潤(rùn)滑油中含有應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì)硫和氯元素,且輸油管彎曲部位存在較大拉應(yīng)力,導(dǎo)致該紫銅輸油管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

紫銅;輸油管;腐蝕介質(zhì);拉應(yīng)力;應(yīng)力腐蝕開裂

紫銅以其優(yōu)良的耐蝕性、耐高溫、耐高壓和易于彎曲變形、安裝等特點(diǎn),被廣泛用作油管材料。某電廠使用的?10 mm×2 mm輸油管,采用T3紫銅材料制造,工作溫度為45～55℃,管內(nèi)壓力為3.5 MPa,管內(nèi)介質(zhì)為32號(hào)長(zhǎng)效潤(rùn)滑油。該輸油管使用約半年后發(fā)生斷裂事故,輸油管的斷裂形貌如圖1所示。

為了查明輸油管的斷裂原因,筆者對(duì)其斷口形貌、化學(xué)成分、微觀組織進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

圖1 輸油管的斷裂形貌Fig.1 Cracking morphology of the oil pipe

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

由圖1可見,該輸油管在形狀變化的拐點(diǎn)處沿橫向開裂;斷面無(wú)明顯塑性變形,呈宏觀脆性斷裂特征,如圖2所示。仔細(xì)觀察斷口形貌,發(fā)現(xiàn)斷面顏色有差別。斷面以亮紅色為主,但在內(nèi)壁溝痕處可見一暗紅色區(qū)域,顯示為陳舊斷口特征,即該處早于其他部位開裂,因此判斷該區(qū)域?yàn)榱鸭y源,見圖3。

1.2 斷口微觀分析及能譜分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)行微觀分析,可見裂紋源處內(nèi)壁形貌以冰糖狀沿晶斷口為主,其上可見二次沿晶裂紋,呈脆性斷裂特征,見圖4;遠(yuǎn)離裂紋源處斷口的掃描電鏡形貌則以撕裂棱和韌窩為主,呈韌性斷裂特征,見圖5。

圖2 輸油管斷口的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture of the oil pipe

圖3 輸油管斷口的裂紋源形貌Fig.3 Morphology of the crack source area of the fracture of the oil pipe

圖4 裂紋源處的掃描電鏡形貌Fig.4 SEM morphology of the crack source area

圖5 遠(yuǎn)離裂紋源處的掃描電鏡形貌Fig.5 SEM morphology away from the crack source area

對(duì)斷口進(jìn)行能譜(EDS)分析,在裂紋源區(qū)域檢測(cè)到有硫、氯元素存在,見圖6;在遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)域未見有硫、氯元素,見圖7。該結(jié)果說(shuō)明裂紋源處斷口受到含有氯、硫元素的腐蝕介質(zhì)的作用,且該腐蝕介質(zhì)來(lái)源于輸油管內(nèi)壁。

圖6 裂紋源區(qū)域的背散射電子像和能譜分析結(jié)果Fig.6 The（a）backscattered electron image and（b）EDS analysis result of the crack source area

圖7 遠(yuǎn)離裂源區(qū)域的背散射電子像和能譜分析結(jié)果Fig.7 The（a）backscattered electron image and（b）EDS analysis result away from the crack source area

1.3 金相檢驗(yàn)

在輸油管斷口附近未腐蝕區(qū)域截取金相試樣,拋光后進(jìn)行觀察,組織中未見夾雜物、針孔等宏觀缺陷。試樣經(jīng)侵蝕后進(jìn)行金相檢驗(yàn),如圖8所示,可見顯微組織為單相α固溶體,屬于紫銅材料的正常組織。

圖8 輸油管的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of the oil pipe

2 分析與討論

該紫銅輸油管的內(nèi)部介質(zhì)為32號(hào)長(zhǎng)效潤(rùn)滑油,長(zhǎng)效潤(rùn)滑油是指含有極壓添加劑的潤(rùn)滑油,而極壓添加劑是含有硫、氯、氮、磷的有機(jī)極性化合物。與普通潤(rùn)滑油相比,它雖然能夠承受重載荷、沖擊載荷和降低機(jī)械磨損[1],但其中的硫、氯、氮、磷元素在一定的條件下也會(huì)使管壁發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

檢測(cè)結(jié)果表明,輸油管斷面上顏色深的區(qū)域?yàn)榱鸭y源,起始于內(nèi)壁表面。從能譜分析結(jié)果可知,裂紋源處檢測(cè)到了硫、氯元素,在遠(yuǎn)離裂紋源處未檢測(cè)到硫、氯元素,表明開裂與硫、氯腐蝕介質(zhì)相關(guān),而氯化物是銅及銅合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)[2-3]。從斷口形貌上分析,裂紋源處斷口形貌以沿晶為主,但在遠(yuǎn)離裂紋源的區(qū)域,斷口形貌以韌窩為主。紫銅屬于韌性材料,開裂后的斷口應(yīng)以韌窩為主,但從晶體結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō),紫銅材料屬于面心立方結(jié)構(gòu),因此發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)斷面以沿晶為主[4]。從輸油管的斷裂位置來(lái)看,斷口位于彎曲的拐點(diǎn)處,使用過(guò)程中由于內(nèi)壁介質(zhì)為流動(dòng)的潤(rùn)滑油。油管的彎曲使得內(nèi)壁介質(zhì)流動(dòng)方向發(fā)生變化,管壁的受力方向也隨之改變,拐點(diǎn)處就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與其相切并與管壁成一定角度的拉應(yīng)力,見圖9。同時(shí),在工作狀態(tài)下由內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生的溫度變化和壓力,及管壁處機(jī)械加工溝痕引起的應(yīng)力集中[5-6],也會(huì)進(jìn)一步加大拐點(diǎn)處的拉應(yīng)力。

圖9 輸油管管壁受力示意圖Fig.9 The sketch diagram of the stress of the oil pipe wall

綜合分析以上結(jié)果,確定紫銅輸油管的開裂屬于氯化物導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕開裂是金屬材料在靜拉伸應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用下出現(xiàn)的低于其強(qiáng)度極限的脆性開裂,它對(duì)構(gòu)件的危害是致命性的,通常導(dǎo)致構(gòu)件突發(fā)性斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

該紫銅輸油管內(nèi)的32號(hào)長(zhǎng)效潤(rùn)滑油中含有硫、氯等腐蝕性元素,在使用過(guò)程中,由于管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)、壓力和溫度變化,造成彎曲部位的拐點(diǎn)處存在較大的拉應(yīng)力,從而使其在該處發(fā)生沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂。

建議在管路的結(jié)構(gòu)設(shè)置上增加油管的固定措施,避免因振動(dòng)使拐彎處產(chǎn)生拉應(yīng)力;建議選用氯含量更低的優(yōu)質(zhì)32號(hào)長(zhǎng)效潤(rùn)滑油,避免應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

[1] 劉洪濤,鮑曉軍,謝穎,等.潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油非加氫脫氮技術(shù)研究開發(fā)進(jìn)展[J].潤(rùn)滑油,2002,17(1):34-38.

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[3] 劉瑞堂.機(jī)械零件失效分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003:47-49.

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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,高級(jí)工程師,主要從事金屬材料的理化檢驗(yàn)工作。

劉素芬(1964—),女,高級(jí)工程師,主要從事金屬材料的理化檢驗(yàn)與失效分析工作,1018460014＠qq.com。