贾海东1 胡旭2 李春泉3 王宝山4
1.;2.;
3.;4.
摘要：大口径高钢天然气管道三通制造过程中，热处理不合格很容易导致三通屈服强度达不到标准要求。通过表面金相检验发现，低强度三通的金相组织以铁素体组织为主，含量大于50%，而普通三通则以贝氏体组织为主。通过表面硬度测试发现，低强度三通的硬度在以下。采用压痕微破坏检测技术对三通强度进行在线检测，与破坏性拉伸试验结果相比，拉伸强度检测误差小于6.15%。提出以该三通表面金相组织主要为铁素体且表面硬度低于170 HV10作为初步判断，并利用压痕法测试结果最终判定是否为低强度异常三通。该技术方案兼顾了经济性和可靠性，具有进一步推广应用的价值。
关键词：高钢级三通强度；在线检测；金相检测；硬度检测；压痕检测
大口径高钢级天然气管道通常采用热拔工艺制造。在热挤压成型过程中，三通需要多次加热和冷却。热处理是使三通本体及焊缝满足各项力学性能指标的关键[1-3]。由于三通制造的特殊性钢材抗拉强度图，采用批量检验方法对三通的力学性能和金相进行检验。在对某天然气站进行全面检查时，发现X70三通主管与直管段之间的变壁厚环形焊缝存在泄漏。随后，当用热火更换三通和主管并测试力学性能时，发现X70三通管出现泄漏。一般屈服强度在～之间，抗拉强度在～之间，低于标准下限～。经分析，三通强度低的原因是热处理工艺没有控制好。大量文献表明，强度和硬度之间存在着规律性的关系[4-8]。通过金相检验分析材料的微观结构也是评价设备安全状态的重要方法[9-13]。本文采用表面金相检测、表面硬度检测、压痕检测等无损和微破坏检测技术，对如何在线排查高档低强度三通故障进行研究。
1 三向金相检验
对现场低强度X70三通进行切割，利用实验室金相设备和现场表面金相设备对三通S1、S3位置进行表面金相检验。结果对比见表1，金相组织如图1所示。结果表明，实验室和现场检测到的金相组织主要为铁素体，含有少量贝氏体和珠光体，晶粒尺寸是相似的。现场表面金相检查可用于排除三通异常。
表1 实验室与现场表面金相检测结果对比
图1 实验室及现场表面检测金相组织
现场采用PTI-5500金相检测仪对低强度X70三通S3的外表面、中心和内表面进行金相检查。检验标准符合GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》。图2(a)为普通X70三通金相组织。其内外表面均为贝氏体，中心为贝氏体+铁素体+少量珠光体。图2(b)为低强度X70三通的金相组织。其内外表面及心部的金相主要为铁素体，含量大于50%，还有少量贝氏体、珠光体。因此，现场表面金相组织主要为铁素体，含量大于50%，可作为判断低强度三通的标准之一。
图2 普通三通和低强度三通的金相检验结果
2 三通硬度测试
CDP-S-OGP-PL-011-2014-3《石油天然气管道工程用DN400及以上管件技术规范》规定，YY485-PSL2和YY485-PSL2和X70、X80三通的最大允许硬度值HV10 YY555-PSL2分别为285和300。 ，未规定三通硬度的下限值。
采用TH140硬度计对现场低强度X70三通进行硬度测试。测试标准符合GB/T 17394-2014《金属材料里氏硬度试验第1部分：试验方法》。结果如表2所示。低强度三通由于温度梯度较小，其表面与芯部的性能差异较小。表3为某X80三通的硬度测试结果。对比表2和表3，无论正常还是异常三通，外表面强度均大于芯部强度。如果外表面不合格，那么芯部必定不合格。
表2 低强度X70三通硬度测试结果
表3 普通X80三通硬度测试结果
现场对9个低强度X70三通拉伸试件进行表面硬度测试，每个试件测试9个值。图3为表面硬度、屈服强度和抗拉强度之间的关系曲线。表面硬度对应的屈服强度和抗拉强度分别为和。 10根未使用的X70三通主管、支管表面硬度测试结果为105.5 HV10～199 HV10。综上所述，建议将表面硬度在以下作为低强度三通的判断标准之一。
图3 低强度X70三通表面硬度与屈服强度和抗拉强度的关系
3、三向压痕法测试
采用韩国AIS（Macro）压痕检测仪（最大载荷980 N），使用Φ500 um球形压头测试了使用中的X80三通的屈服强度和拉伸强度。测试标准按照GB/T 39635-2020《金属材料仪器化压痕法测定压痕拉伸性能和残余应力》，同时在压痕测试部位进行表面金相和表面硬度测试。其中1#、2#测点位于三通主管端部3点方向，3#测点位于支管处进行测试。位置如图4所示。试验结果如表4所示。图5为测点1压痕法的试验结果，包括压痕载荷-深度曲线和得到的压痕真应力-真应变曲线。
图4 X80三通测试位置
表4 X80三通强度测试结果
图5 1#测点压痕法测试结果
通过表面金相检查和表面硬度测试可以发现，1#测点为强度不合格位置，与压痕法测试结果一致。表面硬度与压痕法测得的屈服强度、抗拉强度存在对应关系。三通主管1#侧点端部强度较低。
为了进一步验证压痕法测试的准确性，选用X80三通进行压痕法与单轴拉伸的对比实验。结果如表5所示。压痕法拉伸强度检测误差在6.15%以内。根据检测结果，最终可以判定在役三通是否为异常低强度三通。
表5 单轴拉伸法与压痕法试验结果对比
4 结论
(1)针对高档低强度三通的在线检测和故障排除问题，提出了采用表面金相、表面硬度和压痕方法的组合故障排除方案。表面金相铁素体主要为铁素体，初步测定表面硬度低于。压痕法测试结果用于最终判定在役三通是否为低强度异常三通。
(2)热拔工艺制造的高钢级三通各零件的力学性能和组织参差不齐。应加强三通制造过程特别是热处理过程的质量控制。对 T 恤进行随机测试会增加采购成本，并且无法覆盖所有制造的 T 恤。本文提出的低强度三通检验方法可适用于所有制造三通的工厂质量检验，具有广阔的应用前景。
（3）在全站综合检查中，还发现三通存在韧性低的问题。应进一步研究建立低强度三通金相组织、硬度和强度之间的换算关系，实现定量测定。国内小冲头、压痕法等微破坏性测试技术需要对材料断裂韧性测试进行更深入的研究，以满足管道断裂力学性能现场在线测试的需求。
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