消防水系統(tǒng)是電力變電站的重要輔助安全設(shè)施,其可靠性直接關(guān)系到變電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行[1－2]。在實際變電站建設(shè)項目中,工作人員對消防水系統(tǒng)的重視程度不足,消防水管道等部件制造質(zhì)量不良或安裝工藝不當(dāng)使消防水系統(tǒng)故障時有發(fā)生,給電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和用戶的用電可靠性帶來很大威脅。 

某高寒地區(qū)變電站全站共用一套消防水系統(tǒng),消防泵開始啟動時,發(fā)現(xiàn)一處消防栓給水管道出現(xiàn)大量漏水現(xiàn)象,隨即關(guān)閉該處管網(wǎng)閥門。經(jīng)現(xiàn)場進(jìn)一步檢查確認(rèn),發(fā)現(xiàn)該消防栓下方埋設(shè)于墻體內(nèi)的給水管道直管與90°彎頭的溝槽接頭處發(fā)生斷裂,進(jìn)而導(dǎo)致漏水,該管道為直縫焊接鋼管,材料為Q235鋼。筆者對該斷裂管道進(jìn)行一系列理化檢驗,查明了其斷裂原因,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對斷裂管道進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：斷裂位置為管道溝槽接頭處,長度約為25 mm；斷口沿直管段側(cè)溝槽的邊緣整齊分布。給水管道正常部分的外徑為76 mm,壁厚為3.3 mm,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；溝槽接頭部位的外徑為70 mm,壁厚為3.0 mm；鋼管未見脹粗等缺陷。 

圖  1  斷裂管道的宏觀形貌

管道斷口處的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口整體齊平,未見明顯塑性變形,整個斷口沿鋼管壁厚方向呈現(xiàn)兩種截然不同的形態(tài),近外表面處斷口呈常規(guī)斷裂特征,從斷口上的“人”形紋路及其整體形貌可以較為清晰地判斷出啟裂區(qū)、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)等特征區(qū)域；近內(nèi)表面處斷口規(guī)則分布,整圈斷口的形貌一致,斷口呈由鋼管內(nèi)壁延伸至管材內(nèi)部的徑向機械損傷形貌,該區(qū)域斷口沿壁厚方向的深度為1.2～1.5 mm；在管道溝槽的另一側(cè)邊緣處也存在機械損傷缺陷,該缺陷沿整圈均勻、連續(xù)分布,且與斷口內(nèi)圈形貌相似。 

圖  2  管道斷口處的宏觀形貌

對與管道配套使用的卡箍進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：卡箍存在一處沿軸向分布的裂紋,裂紋長度約為27 mm,裂紋處卡箍內(nèi)壁和外壁均存在明顯的擠壓損傷特征。 

圖  3  卡箍的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂管道上取樣,對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂管道的化學(xué)成分滿足GB/T 700—2006 《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對Q235鋼的要求,但C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.08%,較一般Q235鋼低。 

利用掃描電鏡對管道斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：內(nèi)圈斷口存在整圈呈規(guī)則分布的徑向機械損傷,其厚度約為1.4 mm；外圈斷口的斷裂起源于內(nèi)圈機械損傷的端部,啟裂區(qū)的形成時間較長,表面銹蝕嚴(yán)重；近啟裂區(qū)的大部分區(qū)域為擴展區(qū),呈解理斷裂＋沿晶斷裂的混合型脆性斷裂特征；最后斷裂的瞬斷區(qū)呈準(zhǔn)解理斷裂特征。 

圖  4  管道斷口處的SEM形貌

1.4   金相檢驗

在管道斷口部位截取試樣,對其進(jìn)行金相檢驗,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣基體的組織為鐵素體＋沿晶界分布的游離態(tài)滲碳體,珠光體的含量較少,晶粒度等級為6～7級；組織中未見嚴(yán)重的非金屬夾雜物[3]；內(nèi)圈斷口表面光滑,未見明顯的晶粒拉長畸變特征；外圈斷口具有明顯的晶粒拉長畸變特征,拉長方向為由機械損傷端部向外表面延伸,說明斷裂起始于機械損傷部位；鋼管縱向直焊縫的組織為鐵素體＋條帶狀珠光體,無明顯異常；焊縫根部狀態(tài)無明顯異常,熔合區(qū)組織正常,未見裂紋等缺陷；管道內(nèi)表面和外表面分別存在厚度為49,54 μm的鍍鋅層。 

圖  5  斷裂管道的微觀形貌

1.5   力學(xué)性能測試

在斷裂管道上截取試樣,對試樣進(jìn)行常溫(20 ℃)拉伸試驗、常溫沖擊試驗和低溫(－20 ℃)沖擊試驗,結(jié)果如表2所示。由表2可知：管道的屈服強度和斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求；常溫和低溫的沖擊吸收能量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。 

該斷裂管道的最高設(shè)計介質(zhì)壓力為0.8 MPa,按照GB/T 20801.3—2020 《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分：設(shè)計和計算》要求,對該管道進(jìn)行強度校核計算,以確定其實際管壁厚度是否滿足使用要求。管道計算壁厚的方法如式(1)所示。 

式中：t為計算壁厚；P為設(shè)計最高壓力；D為鋼管的外徑；Φ為管道縱向焊接接頭系數(shù)；S為設(shè)計溫度下管道金屬材料的許用應(yīng)力；W為焊接接頭高溫強度降低系數(shù)；Y為計算系數(shù)。 

經(jīng)計算得出管道的最小計算壁厚為0.29 mm,鋼管實測的最小壁厚為3.0 mm。綜合考慮腐蝕附加厚度、厚度負(fù)偏差及工藝厚度減薄等附加厚度尺寸,判斷該斷裂管道的實際壁厚及其壁厚裕量均滿足使用要求。 

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗結(jié)果可知：該管道斷口沿壁厚方向呈現(xiàn)兩種截然不同的形態(tài),近外表面處為常規(guī)斷裂的斷口,近內(nèi)表面處存在機械損傷。此外,管道溝槽的另一側(cè)邊緣處也存在相似機械損傷形貌,說明管道溝槽接頭的滾槽加工工藝存在缺陷[5－7]。機械損傷會破壞管道基體的連續(xù)完整性,使損傷處成為管道最薄弱的位置,并使該位置的有效承載壁厚嚴(yán)重減薄,凹槽根部的尖端處會產(chǎn)生應(yīng)力集中,在管內(nèi)介質(zhì)的一次應(yīng)力、管系彎曲等二次應(yīng)力的共同作用下,凹槽根部尖端處易發(fā)生開裂。 

與管道配套使用的卡箍上存在一處沿軸向分布的裂紋,裂紋處存在明顯的擠壓損傷,卡箍表層的紅色油漆層已發(fā)生擠壓脫落,說明卡箍內(nèi)表面與給水管道之間受力不均,在局部形成了較大的彎曲擠壓應(yīng)力。說明該管道的安裝工藝不當(dāng),管道安裝完成后,卡箍承載了較大的彎曲力矩。 

斷裂管道的碳元素含量較低。在生產(chǎn)實踐中,碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.10%的低碳鋼,在對其進(jìn)行熱軋或退火等加工過程中,若存在加熱溫度過高、保溫時間過長或冷卻速率較慢等情況,組織中易形成大量游離態(tài)的脆性滲碳體,并造成珠光體缺失,進(jìn)而嚴(yán)重影響材料的韌性及壓力加工性能[8]。在滾壓時,材料易發(fā)生開裂,同時還會導(dǎo)致材料組織脆化,降低材料的強度、韌性和塑性等綜合力學(xué)性能,最終導(dǎo)致管道斷裂。 

3.   結(jié)論與建議

該斷裂管道加工溝槽接頭時,滾槽工藝不當(dāng)使管道內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重機械損傷,破壞了基體的連續(xù)性,并產(chǎn)生應(yīng)力集中；管道的碳元素含量較低,組織中存在大量的游離態(tài)滲碳體,使材料脆化且力學(xué)性能變差,進(jìn)而導(dǎo)致材料的抗?jié)L壓加工開裂能力不足；管道及溝槽接頭裝配不規(guī)范,在管道與彎頭連接的溝槽卡箍邊緣處形成了較大的彎曲力矩,管道內(nèi)表面機械損傷處開始萌生裂紋并擴展,最終導(dǎo)致管道斷裂。 

建議對該變電站消防水系統(tǒng)同批次的溝槽接頭進(jìn)行排查,若發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重機械損傷的溝槽接頭,應(yīng)予以更換。對于重要的消防水管道,建議選用碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.15%的鋼管,并保證其熱加工及熱處理工藝的質(zhì)量,確保材料形成正常的組織,保證其具有優(yōu)良的力學(xué)性能。嚴(yán)格控制安裝工藝,避免在管道連接處形成大的彎曲應(yīng)力。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)