水煤漿管道失效原因分析

水煤漿管道失效原因分析

0管道失效原因在化工生產(chǎn)過(guò)程中，管道是不可或缺的一部分。它用于運(yùn)輸必要的原材料，并將不同的功能設(shè)備連接到一起，以完成特定的工藝過(guò)程。而化工企業(yè)內(nèi)管道縱橫交錯(cuò),一旦發(fā)生管道破裂爆炸事故,容易沿著管道系統(tǒng)擴(kuò)展蔓延,使事故迅速擴(kuò)大,因此對(duì)管道事故的原因進(jìn)行分析,進(jìn)而提高設(shè)計(jì)和安全管理水平是預(yù)防管道事故發(fā)生,實(shí)現(xiàn)化工安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要工作。在合成氨工藝加壓氣化裝置事故中,煤漿泵故障和氧氣管線爆炸事故較為常見(jiàn),而水煤漿管線爆炸事故則較少。由于管道發(fā)生失效既可能由管材缺陷引起,也可能由于管內(nèi)工況條件發(fā)生變化導(dǎo)致,因此應(yīng)在失效試驗(yàn)的基礎(chǔ)上判斷管道失效的原因。本文對(duì)一起水煤漿管道爆炸事故的管材進(jìn)行了失效分析,通過(guò)試驗(yàn)分析殘片化學(xué)成分,觀察其微觀斷裂特征,進(jìn)而找出管道發(fā)生失效破裂的原因,并進(jìn)一步推斷該起事故爆炸能量的大小。1現(xiàn)場(chǎng)爆破效果某公司合成氨系統(tǒng)煤氣化裝置水煤漿管道發(fā)生爆炸事故,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),靠近氣化爐側(cè)管道破壞最為嚴(yán)重,管道呈粉碎性脆性破壞,少數(shù)碎片散落在距現(xiàn)場(chǎng)100多m的位置,附近窗口玻璃被震碎。爆裂的水煤漿管道系無(wú)縫鋼管,爆管宏觀照片見(jiàn)圖1。從破裂的管段上可以看出,管道的主裂紋呈縱向,殘留在管段上的環(huán)焊縫外觀焊接質(zhì)量較好。管道環(huán)焊縫焊接采用氬弧焊打底,手弧焊蓋面的雙面成形焊接工藝。已知管道的設(shè)計(jì)壓力13.2MPa,設(shè)計(jì)溫度90℃,使用壓力9.5MPa,使用溫度為常溫。管道材質(zhì)選取20G,內(nèi)徑219mm,壁厚23.1mm。2物理和化學(xué)試驗(yàn)2.1分析的弱化從爆裂鋼管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果顯示,試樣各元素的含量符合GB5310—85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。2.2斷裂表面特征在爆裂管材的斷口附近取樣進(jìn)行金相顯微組織分析。樣品經(jīng)機(jī)械磨片和拋光,并用硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,在德國(guó)ZEISS型光學(xué)顯微鏡下觀察,金相照片如圖2所示。從圖2(a)中可清楚地看到主裂紋和近斷口內(nèi)部裂紋,表明該斷裂載荷較大,引起近表面損傷。而圖2(b)表明內(nèi)部也有裂紋產(chǎn)生,其開(kāi)裂特征既有沿晶也有穿晶。在管材遠(yuǎn)離爆裂區(qū)取樣進(jìn)行金相組織分析,分析結(jié)果表明管材組織基本正常。金相組織觀察表明,材料組織基本正常,裂紋開(kāi)裂既有沿晶,又有穿晶斷裂特征,在主裂紋近表面有許多小裂紋存在,表明管道發(fā)生斷裂時(shí)載荷較大。2.3斷口顯微觀察為了分析管道爆裂起因,在爆裂斷口部位進(jìn)行取樣,在美國(guó)生產(chǎn)的JSM型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行斷口形貌的微觀觀察。SEM微觀形貌照片見(jiàn)圖3,雖然斷口表面覆蓋有氧化物,但是還是可以看到大量的二次裂紋。在焊縫附近的斷口取樣,SEM微觀照片見(jiàn)圖4,右上角為焊縫部位,左下角為母材裂紋擴(kuò)展部位。從圖4中可以看出焊縫斷裂部位表現(xiàn)一定的韌性,而母材斷裂則為脆性特征,表明裂紋首先從焊縫與母材交界處起裂、擴(kuò)展,由于焊縫與母材之間的熱影響區(qū)是材料組織最差的部位,該部位成為裂紋首選的通道。圖5為圖4的進(jìn)一步放大圖片。從圖中可看出焊縫與母材交界部位為撕裂棱,為韌窩斷裂特征,而裂紋擴(kuò)展部位為脆性解理斷裂?？v向斷口上有分叉裂紋,其微觀斷裂紋特征為放射狀(見(jiàn)圖6),擴(kuò)展部位表現(xiàn)出解理斷裂?？烧J(rèn)為在主裂紋發(fā)展過(guò)程中,由于載荷較大,應(yīng)力來(lái)不及釋放,產(chǎn)生了分叉裂紋。橫向斷口中心部位微觀形貌照片見(jiàn)圖7。從圖7中可以看出,裂紋起裂和擴(kuò)展亦表現(xiàn)脆性解理特征,表明起裂部位為三向應(yīng)力狀態(tài),而裂紋擴(kuò)展多為脆性特征,裂紋尖端擴(kuò)展照片見(jiàn)圖8。斷口顯微觀察表明,材料組織未有明顯缺陷存在。裂紋起裂和擴(kuò)展主要為脆性解理斷裂特征,同時(shí)發(fā)現(xiàn)有大量二次裂紋存在,斷裂在管壁心部和靠近焊縫部位起裂,表明破斷載荷較大。2.4試驗(yàn)測(cè)試與分析根據(jù)GB/T229—1994標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20G鋼試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器是JBD-30C材料沖擊試驗(yàn)機(jī),在常溫(6～8℃)下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,試樣的沖擊功平均值為14.15J,低于GB5310—1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(常溫,49J),且斷口明顯較平整光亮呈脆性。根據(jù)GB6397—1986標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20G鋼試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備為Instron試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服應(yīng)力均符合GB5310—1995標(biāo)準(zhǔn),但延伸率明顯小于標(biāo)準(zhǔn)值。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由于所取試樣為爆炸碎片,爆炸時(shí)材料都承受了不同程度的變形,因而會(huì)降低材料的延伸率和沖擊功。3反應(yīng)體系估算通過(guò)上述分析,可以認(rèn)為該起水煤漿管道爆裂是由于工藝管道中壓力突躍導(dǎo)致的。根據(jù)薄膜理論,該管道可看成薄壁筒體。應(yīng)用薄膜方程進(jìn)行估算:σ=PR2Sσ=ΡR2S(1)將公式變形可得P=2SRσin(2)Ρ=2SRσin(2)式中,σin為材料的最大強(qiáng)度,MPa;R為管道半徑,109.5mm;S為管道壁厚,23.1mm。取材料拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度479.35MPa作為σin代入公式,計(jì)算得爆炸的臨界壓力P=202MPa。由此推測(cè),管道的爆炸壓力應(yīng)在202MPa以上。4管道爆裂壓的計(jì)算金相組織和斷口分析表