壓力容器培訓(xùn)講義之壓力管道失效分析及事故案例4 (2)

1、1 發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂的導(dǎo)壓管系80/年航煤脫硫醇R7101反應(yīng)器進(jìn)料管靠近焊縫部位（近堆焊處）。該裝置2002年9月正式投入使用運(yùn)行。發(fā)現(xiàn)進(jìn)料導(dǎo)壓管近焊縫處出現(xiàn)管內(nèi)介質(zhì)向外泄漏現(xiàn)象。隨即組織檢查，通過(guò)表面著色探傷發(fā)現(xiàn)管子外壁有穿透裂紋存在。 該進(jìn)料導(dǎo)壓管操作參數(shù)如下： 操作壓力： 2.8MPa 操作溫度： 240 管內(nèi)介質(zhì)： 航煤 管子材料： 0Cr18Ni9Ti2 導(dǎo)壓管材料的化學(xué)成分分析 該材料牌號(hào)為0Cr18Ni9Ti，系奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管，說(shuō)明實(shí)際使用的材料與設(shè)計(jì)選用材料相同，所用材料無(wú)誤。3 進(jìn)料導(dǎo)壓管裂紋宏觀形貌分析 456 導(dǎo)壓管材料的金相組織 導(dǎo)壓管管子母材組織呈多邊形奧氏體孿晶組織

2、，并有顆粒狀碳化物存在，少量的灰色條狀為鐵素體相，焊縫組織呈單相奧氏體樹(shù)枝狀組織，從材料的組織說(shuō)明未有脆性相析出。 7母材金相母材金相焊縫金相焊縫金相8 裂紋斷口的微觀形貌分析 疲勞源疲勞源疲勞紋疲勞紋疲勞紋疲勞紋疲勞紋疲勞紋91、本次導(dǎo)壓管產(chǎn)生的裂紋屬疲勞裂紋。2、建議對(duì)同類(lèi)進(jìn)料導(dǎo)壓管承插焊及熱影響區(qū)進(jìn)行外表面著色檢查，一旦發(fā)現(xiàn)有裂紋應(yīng)及時(shí)修理。3、預(yù)防導(dǎo)壓管類(lèi)似裂紋的再次產(chǎn)生的措施是承插焊接處的焊縫堆高不易過(guò)高，并做到焊縫熔合區(qū)部位圓滑過(guò)渡，以避免該處幾何形狀突變，造成過(guò)大的應(yīng)力集中。10 加氫單元的一個(gè)閥門(mén)發(fā)生泄漏，泄漏位置在閥體與法蘭的承插連接焊縫處，在焊縫中心線有一道裂紋。 該閥門(mén)所

3、在位置是循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液缸沉筒液位計(jì)一次閥。 相應(yīng)的工況為： 操作壓力： 110Kgf/cm2 溫度： 4050 介質(zhì)： H2，其中H2S含量為400500ppm 閥體材質(zhì)： 碳鋼 該閥門(mén)為900磅級(jí)的1閘閥，采用法蘭連接，法蘭和閥體之間為承插焊接。該閥門(mén)制造后按B31.3標(biāo)準(zhǔn)，因焊縫處壁厚小于19mm，未進(jìn)行焊后熱處理。11 承插焊閥門(mén)材料的化學(xué)成分分析承插焊閥門(mén)材料的化學(xué)成分分析 化學(xué)成分表明，該閥門(mén)的材料為低碳鋼，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，該材料應(yīng)為20號(hào)鋼，沒(méi)有選材問(wèn)題。 12 承插焊閥門(mén)裂紋宏觀形貌分析承插焊閥門(mén)裂紋宏觀形貌分析 1314試樣的金相組織試樣的金相組織 母材和熱影響區(qū)的組

4、織母材和熱影響區(qū)的組織為鐵素體和珠光體，熱為鐵素體和珠光體，熱影響區(qū)的組織呈魏氏組影響區(qū)的組織呈魏氏組織，焊縫組織由網(wǎng)狀鐵織，焊縫組織由網(wǎng)狀鐵素體、珠光體、上貝氏素體、珠光體、上貝氏體組成。熱影響區(qū)（拋體組成。熱影響區(qū)（拋光態(tài)）還存在弧狀的夾光態(tài)）還存在弧狀的夾雜，這些夾雜對(duì)本次裂雜，這些夾雜對(duì)本次裂紋擴(kuò)展及斷裂應(yīng)無(wú)影響。紋擴(kuò)展及斷裂應(yīng)無(wú)影響。母材的晶粒較細(xì)，應(yīng)該母材的晶粒較細(xì)，應(yīng)該是受焊接后的冷卻速度是受焊接后的冷卻速度影響，且未進(jìn)行焊后熱影響，且未進(jìn)行焊后熱處理。處理。 1516從微觀斷口形貌可以看到，該疲勞斷口附著腐蝕產(chǎn)物，但仍可以看到從微觀斷口形貌可以看到，該疲勞斷口附著腐蝕產(chǎn)物，但仍

5、可以看到疲勞輝紋，而產(chǎn)生疲勞輝紋的必要條件是裂紋尖端處于張開(kāi)型的平面疲勞輝紋，而產(chǎn)生疲勞輝紋的必要條件是裂紋尖端處于張開(kāi)型的平面應(yīng)變條件下。因此該斷口應(yīng)是高應(yīng)力低周期疲勞斷口。應(yīng)變條件下。因此該斷口應(yīng)是高應(yīng)力低周期疲勞斷口。17 由計(jì)算模型可知，未焊透時(shí)焊縫根部應(yīng)力集中，應(yīng)力水平相當(dāng)高，同時(shí)閥門(mén)在循環(huán)氫壓縮機(jī)附近，存在振動(dòng)，因此形成了導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展的較大應(yīng)力幅。而如果焊縫是焊透的，則焊縫根部的應(yīng)力水平低。18結(jié)論：根據(jù)本次失效分析，確認(rèn)由于焊縫未焊透，存在應(yīng)力集中，是本次閥門(mén)承插焊縫疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，不存在應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。對(duì)于目前在用的類(lèi)似閥門(mén)，應(yīng)對(duì)承插焊縫進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于存在未焊透

6、以及類(lèi)似工況的閥門(mén)應(yīng)于更換。今后采用閥門(mén)，應(yīng)選用對(duì)接焊結(jié)構(gòu)的閥門(mén)，且焊后需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確定不存在有害缺陷。19 本次發(fā)生活塞桿斷裂的加氫壓縮機(jī)系加氫裂化裝置中的重要設(shè)備之一。該機(jī)組運(yùn)行至2003年8月15晚上，突然發(fā)生二級(jí)活塞桿斷裂情況，造成緊急停車(chē)事故。打開(kāi)機(jī)組進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的活塞桿斷裂的部位是在十字頭法蘭與十字頭螺母聯(lián)接處第二齒頂部位，沿第二齒齒頂處將整個(gè)活塞桿沿垂直軸線方向斷裂成兩段，見(jiàn)圖所示。20 該活塞桿的材料，牌號(hào)為Custom450。該材料為沉淀硬化不銹鋼。它是通過(guò)加入沉淀強(qiáng)化元素銅、銀、鋁等來(lái)滿足材料強(qiáng)度和塑性要求的，該材料主要特點(diǎn)是高的強(qiáng)度、較好的延性和優(yōu)異的耐腐蝕

7、性能。 通過(guò)化學(xué)成分分析結(jié)果來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)所用材料與設(shè)計(jì)選用材料基本一致，沒(méi)有材料誤用的可能性。21 活塞桿斷口的宏觀形貌分析活塞桿斷口的宏觀形貌分析 22 活塞桿螺紋縱截面金相檢查以及金相組織活塞桿螺紋縱截面金相檢查以及金相組織分析分析 2324 對(duì)活塞桿螺紋冷滾壓加工工藝對(duì)活塞桿螺紋冷滾壓加工工藝 25 活塞桿斷口的微觀形貌分析活塞桿斷口的微觀形貌分析 A區(qū)域區(qū)域26B區(qū)域區(qū)域C區(qū)域區(qū)域27A區(qū)域區(qū)域28C區(qū)域區(qū)域B區(qū)域區(qū)域29 活塞桿的疲勞強(qiáng)度計(jì)算與校核活塞桿的疲勞強(qiáng)度計(jì)算與校核 許用應(yīng)力幅安全系數(shù)在許用應(yīng)力幅安全系數(shù)在2.52.54 4之間，應(yīng)力之間，應(yīng)力安全系數(shù)應(yīng)在安全系數(shù)應(yīng)在1.251

8、.252.52.5之間，而本活塞桿之間，而本活塞桿的兩個(gè)系數(shù)均小于通常要求的安全系數(shù)值，的兩個(gè)系數(shù)均小于通常要求的安全系數(shù)值，說(shuō)明在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，如活塞桿存在缺說(shuō)明在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，如活塞桿存在缺陷時(shí)，容易發(fā)生疲勞斷裂。陷時(shí)，容易發(fā)生疲勞斷裂。30 斷裂過(guò)程的分析斷裂過(guò)程的分析 該活塞桿棒材經(jīng)固溶化時(shí)效處理后，從國(guó)外進(jìn)口在國(guó)內(nèi)該活塞桿棒材經(jīng)固溶化時(shí)效處理后，從國(guó)外進(jìn)口在國(guó)內(nèi)進(jìn)行加工制造。在加工活塞桿螺紋時(shí)由于采用冷滾壓加工進(jìn)行加工制造。在加工活塞桿螺紋時(shí)由于采用冷滾壓加工工藝，造成材料整個(gè)螺紋齒頂部位出現(xiàn)整圈環(huán)向微裂紋，工藝，造成材料整個(gè)螺紋齒頂部位出現(xiàn)整圈環(huán)向微裂紋，深度約深度約0.20.

9、4mm0.20.4mm。這些齒頂上的微裂紋通過(guò)著色表面探。這些齒頂上的微裂紋通過(guò)著色表面探傷是無(wú)法檢查出的。因此這些帶有螺紋裂紋的活塞桿通過(guò)傷是無(wú)法檢查出的。因此這些帶有螺紋裂紋的活塞桿通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝預(yù)緊后投入正常運(yùn)行。在預(yù)緊力慣性力氣體現(xiàn)場(chǎng)安裝預(yù)緊后投入正常運(yùn)行。在預(yù)緊力慣性力氣體壓力等聯(lián)合外力作用下，造成齒頂部位的微裂紋開(kāi)裂形成壓力等聯(lián)合外力作用下，造成齒頂部位的微裂紋開(kāi)裂形成缺口（主要外力因素為螺紋預(yù)緊力）。隨后在活塞桿運(yùn)行缺口（主要外力因素為螺紋預(yù)緊力）。隨后在活塞桿運(yùn)行過(guò)程中受到交變載荷的作用，使該缺口成為最初的疲勞裂過(guò)程中受到交變載荷的作用，使該缺口成為最初的疲勞裂源。隨著運(yùn)行時(shí)間的

10、增加，疲勞裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展最終導(dǎo)致源。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，疲勞裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展最終導(dǎo)致活塞桿整個(gè)斷面的疲勞破壞。活塞桿整個(gè)斷面的疲勞破壞。3132 Cr-Ni奧氏體不銹鋼在使用前或冶煉廠出廠交貨狀態(tài)多為固溶處理狀態(tài)。即將不銹鋼加熱到高溫（10001150左右，隨鋼種而異），保溫后快冷（一般為水冷）。此時(shí)，當(dāng)Cr-Ni奧氏體不銹鋼中含碳量在0.020.03%以上時(shí)（隨鋼中的含Ni量而異），碳在鋼中便處于過(guò)飽和狀態(tài)。 當(dāng)螺栓含碳量較高，在敏化溫度下，C易向晶界擴(kuò)散，析出并與其附近的鉻形成鉻的碳合物。在常用的Cr-Ni奧氏體不銹鋼中，這種碳化物一般為Cr23C6。由于這種碳化物含有較高的Cr，所以鉻碳化

11、物沿晶界沉淀就導(dǎo)致了碳化物周?chē)摰幕w中Cr濃度的降低，形成所謂“貧鉻區(qū)”，最終將導(dǎo)致晶界的耐腐蝕性下降。33 Ti的作用主要是與鋼中過(guò)飽和的碳形成穩(wěn)定的TiC碳化物而防止或減少鉻碳化物Cr23C6的形成。 要避免形成貧鉻區(qū)，理想的Ti/C為6以上，因此如螺栓材料中的Ti含量低，則不能發(fā)揮其作用。 同時(shí)當(dāng)18-8材料含C量達(dá)到或超過(guò)0.12時(shí)，容易與Cr形成復(fù)雜的碳化鉻。34 由下表的化學(xué)成分表明，該螺栓的材料為奧氏體不銹鋼，根據(jù)相應(yīng)的鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，如該材料為1Cr18Ni9鋼，則C含量高出標(biāo)準(zhǔn)值較多，Cr含量偏低，而Ti的含量也很少。因此該材料的化學(xué)成分未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。35由下表可知，化學(xué)成分完

12、全不符合304SS的標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)檢索鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，該材料接近我國(guó)牌號(hào)為1Cr17Mn6Ni5N的材料，ANSI中200系列的201不銹鋼材料。該螺栓材料C含量偏高，Cr含量偏低，而S的含量也大于標(biāo)準(zhǔn)值。1Cr17Mn6Ni5N屬于節(jié)鎳鋼種，代替1Cr17Ni7材料。本螺栓材料應(yīng)為CrMn系不銹鋼材料，其中Mn元素主要是為了增加鋼材的強(qiáng)度和硬度。 36 螺栓的失效主要是材料問(wèn)題，材料不符標(biāo)準(zhǔn)要求，或者材料誤用。3738 根據(jù)斷口的金相照片，可以清晰看到沿晶的開(kāi)裂，斷口附根據(jù)斷口的金相照片，可以清晰看到沿晶的開(kāi)裂，斷口附近的晶粒邊界已明顯被腐蝕。近的晶粒邊界已明顯被腐蝕。 39 從圖中可看到樹(shù)枝狀的裂

13、紋，裂紋起源為螺栓表面，為典型的晶間型應(yīng)力腐蝕裂紋形貌特征。404142431、Cr-Ni奧氏體不銹鋼的晶間型應(yīng)力腐蝕，發(fā)生斷裂的螺栓，其含碳量高，如螺栓在制造加工期間在敏化溫度（450850）范圍加熱，則鋼中過(guò)飽和的碳就會(huì)向晶界擴(kuò)散，析出并與其附近的鉻形成鉻的碳合物，造成晶界的耐腐蝕性下降，因此裂紋會(huì)沿晶擴(kuò)展。2、造成螺栓斷裂的裂紋基本上集中在螺栓桿的中部；裂紋長(zhǎng)，且存在樹(shù)狀分支；裂紋擴(kuò)展方向與螺栓所受拉應(yīng)力方向垂直；在斷口上有大量腐蝕產(chǎn)物，且含有硫離子和氯離子。通過(guò)這些特征可以確定本次螺栓的腐蝕破壞形式是晶間型應(yīng)力腐蝕。3、硫離子和氯離子是造成應(yīng)力腐蝕的主要介質(zhì)。氯離子的腐蝕性能非常突出、而硫離子的存在也可引起敏化態(tài)的不銹鋼的晶間應(yīng)力