摘要：本文通過一起S32205雙相不銹鋼制壓力管道爆燃事故分析，對事故彎頭進行了無損檢測、成分分析、硬度檢測、鐵素體含量檢測、金相檢驗、力學性能試驗，研究了雙相不銹鋼鐵素體含量對鋼材性能的影響，指出通常雙相鋼鐵素體和奧氏體各50%的設(shè)計未考慮熱成形或焊接熱加工對鐵素體量增加導致組織性能下降的影響，雙相不銹鋼鐵素體含量應45%和奧氏體應55%為適宜。

1. 引言

某石化項目加氫裂化裝置試車,在氫氣升壓過程管線上一彎頭發(fā)生開裂,導致氫氣介質(zhì)泄漏爆燃，經(jīng)濟損失巨大。該管線設(shè)計壓力：15.37MPa，設(shè)計溫度：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)場檢查開裂彎頭，彎頭本體開裂連續(xù)長度約1.84米，彎頭周長為1.91米，開裂在彎頭范圍之內(nèi)，幾乎貫穿整個圓周，裂縫斷口呈脆性斷裂特征，見圖1圖2。彎頭開裂的邊緣一端接近焊縫，開裂的另一端邊緣距離焊縫約160mm，在彎頭開裂的焊縫另一側(cè)的焊接接頭熔合線有一條113mm的裂紋見圖3，深9.5mm，彎頭壁厚36mm，而該焊縫熔敷金屬未見開裂。

該批彎頭管件在驗收時進行了10%的光譜檢測和100%滲透檢測，驗收合格后投入安裝的，驗收時的無損檢測并未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.無損檢測及理化檢測

2.1 彎頭及焊接接頭的無損檢測

    對事故彎頭（下稱No1彎頭）的本體及未發(fā)生事故的同類彎頭（下稱No2彎頭）本體進行100%超聲檢測與滲透檢測檢測，對焊接接頭進行了100%射線檢測、磁粉檢測與滲透檢測，檢測結(jié)果顯示，除事故開裂處及圖3的熔合線裂紋外，彎頭本體未見其它缺陷，這證明在彎頭事故前的無損檢測無缺陷的結(jié)果是可信的。

2.2管件的硬度與鐵素體含量檢測

2.2.1硬度檢測

    對No1彎頭和未開裂的No2彎頭的本體使用里氏硬度計進行全面網(wǎng)格硬度測定，硬度測定結(jié)果顯示：No1彎頭總共檢測了210點，硬度范圍HB240~HB344,均超過產(chǎn)品質(zhì)量證明書的測定值HB 215～HB225，其中有119點硬度值超過HB290（ASTM A815標準上限為HB290），彎頭外彎部位總共測了93點，硬度超過HB290的有69點。

No2完好彎頭硬度總共檢測了192點，硬度范圍HB240~HB325,均超過產(chǎn)品質(zhì)量證明書的測定值HB 215～HB225，其中有74點硬度值超過HB290（ASTM A815標準上限為HB290），彎頭外彎部位總共測了93點，硬度超標的有47點。

2.2.2鐵素體含量檢測

   分別對No1彎頭和No2彎頭的外壁進行鐵素體含量測定各測72點，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20%以上測試點鐵素體含量超過60%。相對直管而言，No1彎頭和No2彎頭鐵素體，含量不均勻，波動范圍較大，高限超過標準允許值60%鐵素體含量，不滿足GB/T21833-2008《奧氏體鐵素體雙相不銹鋼無縫鋼管》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、金相檢驗與力學性能檢測

2.3.1成分檢測

截取彎頭和直管進行化學成分分析，分析結(jié)果(見表3 )表明，彎頭和直管的化學成分均能滿足相關(guān)標準的要求。

2.3.2金相檢驗

    對No1彎頭進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)金相組織異常粗大(晶粒尺寸達到2～6mm，見圖4)，晶粒度低于00級，比正常晶粒尺寸增大約100倍，表現(xiàn)出典型的過熱組織特征，No2彎頭金相組織也有一定的過熱特征（見圖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力學性能檢測

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標準中延伸率應大于25%的要求，4件拉伸試樣拉伸試驗結(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】顯示沖擊功應大于250J。

3.型式試驗

    根據(jù)TSGD7002－2006《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》【2】的規(guī)定，相應管件應經(jīng)TSGD7002－2006規(guī)定的型式試驗（技術(shù)文件審查、樣品檢驗測試和安全性能試驗）來驗證熱加工成形的產(chǎn)品安全性能是否滿足安全技術(shù)要求。而該批管件提供的型式試驗報告是冷成形加工工藝，與該批管件實際熱加工成型工藝不符合。也就是該批管件實際熱加工的工藝未經(jīng)TSG D7002 TSG D7002安全技術(shù)規(guī)范規(guī)定的型式試驗的驗證，管件的安全性能質(zhì)量無法保證。

4.分析討論

4.1針對已成形缺陷的無損檢測

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

4.2針對成分組織性能不合格（未成形缺陷）的無損檢測

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

   成分分析（含光譜檢測）屬于成分檢測，鐵素體含量測試屬于組織檢測，硬度檢測屬于性能檢測。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，故通過硬度值可大致了解材料的金相組織、以及材料在加工過程中的組織變化和熱處理效果。No1彎頭和No2彎頭成分檢測符合標準規(guī)定，但鐵素體含量超過了標準規(guī)定60%，硬度值超過標準規(guī)定的HB290,證明No1彎頭和No2彎頭雖然化學成分符合要求，但組織性能發(fā)生了劣化，施工前必須按專業(yè)標準規(guī)范TSGD7002－2006、ASTM A815及GB/T21833-2008的要求，進行型式試驗的檢查和組織性能檢測（鐵素體含量檢測、硬度檢測）。

4.3 工藝加工性與使用耐久性

    標準規(guī)定S32205雙相不銹鋼固溶處理溫度為1020℃~1100℃，當加熱到1200℃以上時，S32205雙鋼鋼高溫延伸率會大大提高，可達1200%，極便于加工成型，但冷卻后會導致晶粒急劇粗大，性能急劇劣化，表現(xiàn)為硬度超過HB290，鐵素體含量超過60%，材質(zhì)脆化。因此S32205雙相不銹鋼熱加工時（含焊接）不僅應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（避免開裂）的關(guān)鍵因素。

4.4彎頭的失效機理

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

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【5】不同固溶溫度下2205雙相不銹鋼兩相比例見表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，當鐵素體含量為65.4%時對應固溶溫度是1300℃，這大大超過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%的超標和硬度的大于HB290的超標可以揭示雙相鋼熱加工固溶處理溫度的超過1100℃的超標。

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%(體積分數(shù))，所以它同時具有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的性能特點。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率高、線膨脹系數(shù)小、具有超塑性等特點；與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼強度較高，特別是屈服強度顯著提高，且耐晶間腐蝕、耐應力腐蝕、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，而當鐵素體含量超過60%時，雙相鋼晶粒急劇粗大【5】，硬度急劇上升，材質(zhì)脆化。相關(guān)標準未考慮焊接等熱加工后導致鐵素體含量增加對組織性能下降的影響，因此應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、焊接等熱加工預留鐵素體相增加的空間，防止熱加工后鐵素體相增加導致的材質(zhì)脆化。焊接是一個急劇加熱冷卻熱循環(huán)過程，GB50517、SH3501、SH/T3558對焊縫金屬鐵素體含量規(guī)定為30%~60%是適宜的。焊接過熱區(qū)經(jīng)歷過急劇的熱循環(huán)，也存在晶粒粗大，硬度升高，過熱導致鐵素體相增加的問題，因此在熔合線產(chǎn)生了圖3的熔合線裂紋。

4.5基于失效機理的無損檢測

    現(xiàn)代無損檢測的定義：在不損壞試件的前提下，以物理或化學方法為手段，借助先進技術(shù)和設(shè)備器材，對試件的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)，狀態(tài)進行檢查和測試的方法。從定義來看，四項常規(guī)無損檢測，聲發(fā)射，渦流屬于無損檢測，硬度、鐵素體含量、光譜、金相檢測也屬于無損檢測。

通常的無損檢測指射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、聲發(fā)射檢測、渦流檢測、目視檢測以及TOFD檢測和相控陣檢測等，主要是針對材料中存在的不連續(xù)（缺陷）的檢測，通常大家關(guān)注已成形缺陷（如裂紋、未焊透等）的檢測，以及持續(xù)關(guān)注檢測技術(shù)的提升，而沒有未成形缺陷（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)定應當根據(jù)壓力容器的使用情況、損傷模式及失效模式，制定檢驗方案，也就是要通過查閱研究以往同類資料，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，有重點有針對性制定檢驗檢測方案，避免無的放矢，造成漏檢。檢驗方案中有針對性的方法的遺漏是別的檢測方法所無法彌補的。

S32205雙相不銹鋼失效機理就是熱加工溫度超過1100℃后，會產(chǎn)生晶粒粗大，鐵素體含量大于60%，硬度超過HB290，材料脆化，但不一定馬上產(chǎn)生開裂，因此應針對失效機理在管件驗收時應進行質(zhì)證書核查、型式試驗證書核查、外觀檢查、尺寸規(guī)格檢查、標志的檢查，光譜檢測，100%的表面檢測，100%的硬度檢測，100%的鐵素體檢測，100%的測厚檢測。無損檢測不僅要針對已成形缺陷，也要針對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，有時未成形的缺陷比已成形的缺陷危害更大，只有基于失效機理的無損檢測才是有效的無損檢測。

5.結(jié)論

5.1、廣義的無損檢測不僅應包括對已成形缺陷的檢測，還應該包括未成形缺陷（成分組織性能不合格）的無損檢測，常規(guī)的無損檢測不能（成分組織性能的不合格），基于失效機理的無損檢測可以檢出未成形缺陷，實現(xiàn)失效的早期預警。

5.2、硬度檢測作為性能快速檢測的方法應在材料失效預警的檢測中廣泛應用。

5.3、S32205雙相不銹鋼管件在檢驗時應采取鐵素體含量檢測和硬度檢測來實現(xiàn)組織性能失效的預警。S32205雙相鋼鐵素體含量應嚴格控制60%以下并接近于50%的中間值，硬度應嚴格控制HB290以下，硬度值達到或超過HB290、鐵素體含量達到或超過60%，極易發(fā)生開裂失效。

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

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