压力管道材料机械性能测试及适用性评价

 一、材料理化性能测试的目的：

（1）设计方面的原因：如材质选用不符合要求；

（2）使用方面的原因：高温、高压、腐蚀性介质、疲劳等使用因素产生的材质劣化；

（3）管理方面的原因：违反操作规程使用、超过设计参数使用等运行管理因素产生的材质劣化；

（4）安装、改造或修理质量不好的因素产生的材质劣化；

（5）因生产工艺需要改变原管道的使用参数，使得管道的性能技术指标发生变更。

下列管道一般应选择有代表性的部位进行金相和硬度检验抽查：
(一)工作温度大于370℃的碳素钢和铁素体不锈钢管道；
(二)工作温度大于450℃的钼钢和铬钼钢管道；
(三)工作温度大于430℃的低合金钢和奥氏体不锈钢管道；
(四)工作温度大于220℃的输送临氢介质的碳钢和低合金钢管道。

l 对于工作介质含湿H2S或介质可能引起应力腐蚀的碳钢和低合金钢管道，进行硬度检验。

l 对于使用寿命接近或已经超过设计寿命的管道，应进行金相检验或硬度检验，必要时应取样进行力学性能试验或化学成分分析。

l 管道材料的种类和牌号一般应查明，材质不明的，可根据具体情况，采用化学分析、光谱分析等方法予以确定。

管道材料的理化检验，包括两个方面的检验：

l 一是物理方面的检验

l 二是化学方面的检验

l 物理检验大体上包括：硬度、金相、机械性能试验

l 化学检验可以分为：手工分析和仪器分析

管道检验工作中常用的材料理化性能测试的方法：

l 硬度测试

l 金相组织分析

l 化学分析（光谱分析）

l 机械性能试验

硬度测试有：

l 宏观材料硬度和客观材料硬度

力学性能有：

l 拉伸、抗弯、弯曲、冲击、扭转等

金相检测根据所检材料不同检测项目也不同，一般都要测定：

l 低倍组织、高倍组织、脱碳层深度、非金属夹杂、碳化物颗粒度。热处理后

一般检测晶粒度、回火度等

化学检测对所检测材料

l 碳含量、各种合金元素含量和杂质元素含量的成分分析。

机械性能试验:
机械性能试验测定材料在一定环境条件下受力或能量作用时所表现出的特性的试验，又称材料力学性能试验。

机械性能试验的内容主要是测量材料强度、刚性、塑性和韧性等。

材料机械性能的测定与机械产品的设计计算、材料选择、工艺评价和材质的检验等有密切的关系。

机械性能试验测出的机械性能数据不仅取决于材料本身，还与试验的条件有关。例如,取样的部位和方向、试样的形状和尺寸,试验时的加力特点,包括加载速度、环境介质的成分和温度等,都会影响试验的结果。

机械性能试验可分为：

静力试验和动力试验两大类。

静力试验包括：

拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、剪切试验、扭转试验、硬度试验、蠕变试验、高温持久强度试验、应力松弛试验、断裂韧性试验等。

动力试验包括：

冲击试验、疲劳试验等

拉伸试样断裂位置在标点附近：实例一：

一般应该都在试样中部，

这样的情况与什么因素有关？冲击试验机？材料？试样？

量一下试棒的直径是否一头粗一头细，看一下断裂处在车床加工时的左还是右边是否有规律，这应和车床的精度、车工的水平有关。

查一下试样两端长短是否一致

检查平行段的光洁度和平行段尺寸是否一致

主要看试棒中间的尺寸是否偏差很大

 

由于一些试棒取自端部，由于端部效应，会出现一头硬，一头软的，也会出现上述情况，可能和试棒浇铸后的凝固顺序有关，如果采取措施使其凝固的先后时间间隔降低，应能解决断在中间的位置。

断裂位置在中间至1/3处即可，不过要是伸长率合格，断在那里都行，只要断在“标距”范围，

还有就是材料本身的问题，

R的弧度是否太小，圆弧R小的话，断口就容易产生在试棒的靠外端位置，

断口位置和试棒内部缺陷以及试棒表面加工精度也有关系，应力集中点的位置问题

实例二：

拉伸试棒断面不规则

拉伸试棒公差和光洁度都在范围内，从拉伸试棒断面进行宏观分析，是试棒本身的问题，是内部杂质产生的这种拉伸断口，是材料的内部缺陷造成的。

需要进一步做微观的断口扫描，看裂纹源是和车刀痕还是内部杂质有关。

 

 

液压式万能材料试验机示值误差方式体现：

示值正偏差超差。

示值负偏差超差。

示值误差在度盘上呈现“前正后负”或“前负后正”且个别点超差

二、管道材料理化性能适用性评价

1、材质不明

规程规定：进行材质检验，确定材质类别 。

检验手段：取样进行管道材料化学成份分析，或使用全定量光谱分析仪进行光谱分析。辅以硬度测试、材料力学性能试验。

判断材料牌号：根据检测所得数据与材料标准或光谱仪中的数据库进行对比，判断是什么牌号的管材。

与硬度测试和材料力学性能试验数据相印证

适用性评价：满足管道设计的使用要求，可定为2级或3级；经检验确认不符合使用要求，则定为4级.

2、材质与原设计不符

在材质清楚的前提下：

规程规定：进行材质检验。

检验手段：进行管道材料硬度测试、金相检验，辅以材料力学性能试验。

判断材料性能：根据检测所得数据与材料标准进行对比，判断是管材的性能是否满足使用要求。

适用性评价：满足管道的使用要求，不影响定级。否则定为4级。

3、材料劣化和损伤

种类有：球化、石墨化、蠕变损伤、氢腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀与疲劳损伤  

规程规定：进行材质劣化和损伤程度检验。

检验手段：进行管道材料硬度测试、金相检验。

判断材料劣化和损伤程度：根据检测所得数据与材料标准进行对比，判断是管材的性能是否满足使用要求。

适用性评价：

（1）球化：材料发生轻度球化，可评为2级，当发生中度球化或更严重球化时则评为3级或4级。材料球化程度的评定参照现行行业标准《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》DL/T 674、《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》DL/T 773的要求进行。

（2）石墨化：材料发生轻度石墨化，可评为3级，当发生中度石墨化或更严重石墨化时，则评为4级。材料石墨化程度的评定参照现行行业标准《碳钢石墨化检验及评级标准》DL/T 786的要求进行。

（3）蠕变损伤：如金相检验仅发现材料存在蠕变空洞时，可评为3级，当存在蠕变裂纹时，评为4级。

（4）氢腐蚀：如仅发生氢腐蚀脱碳但未发现裂纹时，可评为3级，当出现氢腐蚀裂纹时评为4级。

（5）晶间腐蚀：材料发生晶间腐蚀，但未发现裂纹，可按最大晶间腐蚀深度计为局部减薄厚度的评定方法进行评级，如发现裂纹则评为4级；

（6）应力腐蚀和疲劳损伤：管道存在应力腐蚀、疲劳损伤且经检验发现使用中产生的裂纹时，评为4级。

4、管道焊接接头的硬度值超标

在湿H2S环境下工作的碳钢及低合金钢管道

规程规定：进行焊接接头硬度测试。

检验手段：进行管道焊接接头硬度测试、金相检验。

判断管道应力腐蚀发生的可能性 ：根据测试所得的数据与材料标准进行对比，测试值要小于标准规定值的125%，且小于HB200，判断管道焊接接头是否存在发生应力腐蚀的可能性 。

适用性评价：管道焊接接头硬度值超过HB200但未发生应力腐蚀的，检验人员根据检验情况认为在下一检验周期内不会发生应力腐蚀的，可定为2级，否则定为3级。

管道材料适用性评价实例一：扬子烯烃厂服役10万小时的锅炉主蒸汽管线的检验

管道材料STPA23（日本材料，类似中国的12Cr1Mov）

材料理化性能试验项目：微观组织检查、高温短时拉伸和蠕变试验。

目的：分析管道材料损伤累积程度和力学性能退化情况

（1） 通过微观组织检查：研究了管道材料微观组织在长期服役之后损伤的累积程度，结果表明长期服役后管道材料的微观组织基本正常，为铁素体和珠光体组织，晶间和晶界上有弥散的碳化物析出，珠光体球化情况并不严重，介于轻度和中度之间管道外壁微观组织的劣化程度略比内壁组织严重些，但差别不大。

（2）高温短时拉伸试验：结果表明，服役10万小时的STPA23钢的力学性能有所下降，但仍具有较高的强度，尚有富裕的承载能力。

（3）通过高温蠕变试验，得到材料在服役温度下的的蠕变曲线。

对主蒸汽管线进行了热应力和蠕变分析，结果表明，该管线在升温阶段和长期服役过程中，应力集中均发生在支吊架、弯管和异径管处，管线变形主要是由于热膨胀和支吊架载荷引起，应定期对支吊架进行检查，并防止超温运行。设计寿命期间不会发生蠕变失效。

评价结果：该含缺陷管道不会发生断裂失效

管道材料适用性评价实例二：

液化石油气管道，材质为碳钢，Φ76×4mm

材料理化性能试验项目： 化学成份分析、硬度测试、机械性能试验

缺陷问题：机械性能试验时，冷弯试样全部断裂
原因分析：

（1）对冷弯试验有裂纹和断裂的试样进行分析，不合格的主要原因是材料中的氢含量偏高造成氢脆断裂。
（2）从金相及低倍断口的检验结果来看，试样中的显微疏松和夹杂物等缺陷对氢致裂纹有促进作用，聚积分布的夹杂及较严重的疏松等显微缺陷在没有氢的影响下形成冷弯裂纹。在本次检验中有少部分管道材料疏松级别较高，需要进行控制。

（3）金相检验结果，材料中的夹杂级别不是很高，晶粒细小、组织正常。低倍试样上裂纹的规律性完全取决于材料本身的质量，若疏松和偏析夹杂分布于枝晶偏析区为主，在氢的作用下以枝晶偏析区断裂为主，若分布于枝晶主杆的夹杂多，而疏松等最后结晶引起的缺陷少，则以枝晶主杆区断裂为主。
评价结果：

（1）该管道材料的牌号为10#钢管

（2）断裂的主要原因为大量的锰硅酸盐低熔点夹杂物在晶间析出

（3）该条材质不明的管道不满足使用要求。

管道材料适用性评价实例三：不锈钢管道断裂

高温去离子水管道，介质温度为136度，压力为0.6MPa。材料为0Cr18Ni9，材料使用状态：固溶处理。使用13个月后发生断裂，断裂部位在正常母材处。

材料理化性能试验项目：化学成分分析，金相检验

原因分析：
（1）化学成分分析：

检验结果为：C：0.18%，Si：0.50%，Mn：0.85%，P：0.029%，S：0.014%，Cr：15.82%，Ni：9.37%。

与GB/T20878-2009《不锈钢和耐热钢  牌号及化学成分》中的0Cr18Ni9成分对比，C偏高、Cr偏低。

（2）非金属夹杂检验：根据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》标准检验，结果为：A：1.5， B：0， C：0， D：0.5， D（TiN）：3.0，其中个别D（TiN）呈密集带状分布。
（3）金相组织分析：金相组织正常，晶粒细小，沿晶分布着细小的夹杂物和未溶网状碳化物。
（4）介质组成能谱分析：高温去离子水中含有高浓度的O、S、Cl离子，属于严重的不锈钢应力腐蚀敏感介质环境组合。

综合分析结论：
不锈钢材料虽经固溶处理，但固溶温度偏低，保温时间太短，致使组织中沿晶析出网状碳化物，导致晶界贫铬，同时材料在高达136度的同时又含有高浓度的O、S、Cl离子的敏感应力腐蚀介质中使用，最终导致材料出现晶间腐蚀开裂失效。

评价结果：

该条管道材质不满足介质使用要求。

改进措施：
（1）控制材料化学成分，要求有严格的固溶处理。
（2）更换管道材料，把0Cr18Ni9更换为0Cr18Ni9Ti。
验证：
（1）在保证0Cr18Ni9材料的化学成分下，要求有严格的固溶处理，经处理后使用一年的检验，没有出现断裂。
（2）对更换材料后的管道进行固溶处理，使用后没有出现断裂情况。

管道材料适用性评价实例四：20#钢蒸汽管道外壁局部开裂

管道母材部位出现外壁局部横裂，开口较大的横裂呈锯齿形，横裂处裂纹表面附有铜金属。
材料理化性能试验项目：化学成分分析，金相检验

原因分析：
（1）化学成分分析：在裂纹处取样进行分析，结果：C：0.14%， Si：0.30%， Mn：0.71%， P：0.019%， S：0.021%，Cu ：23.14% 。铜含量严重超标。

（2）金相检验：在横裂处取纵向金相样，裂纹大多与拉拔方向呈45度角分布，裂纹内有铜金属及氧化铁，附近有分布在晶界上黄色的铜金属，铜金属仅分布在横裂处表层。

显微组织为铁素体+珠光体，有魏氏组织。

综合分析结论：
根据裂纹形状、分布及检验结果，可以排除管坯及热穿孔因素，但无法确定铜金属的来源，应是管道加工过程中某种偶然因素引起的铜金属渗杂，造成使用中产生铜脆开裂。

评价结果：

该条管道局部材质不满足使用要求。

管道材料适用性评价实例五：不锈钢管道外表面局部有凹凸不平。

缺陷情况：管道外表面母材部位出现局部有凹凸不平现象。材质304L，Φ57×3.5mm，介质：稀醋酸。
材料理化性能试验项目：化学成分分析，金相检验

原因分析：
（1）化学成分分析：在表面有凹凸不平处取样进行分析，结果：C：0.07%，Si：0.33%，Mn：0.46%，P：0.011%，S：0.007%，Cr：17.81%，Ni：10.62%。各个元素含量在标准范围内。

（2）金相检验：发现表面凹凸不平处有焊接组织，但从钢管外表面看不出焊接痕迹。

综合分析结论：
可能是钢坯存在表面缺陷，在轧制前进行了补焊，但焊丝与母材成分有较大的差异，虽经过加热轧制，仍保留了焊接组织的形貌。

评价结果：

该条管道材质满足使用要求。