摘 要:本文以檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)的一例人孔法蘭失效事故入手,結(jié)合斷口檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、硬度檢測、化學(xué)成分分析、斷口形貌分析、斷口產(chǎn)物分析等方法的分析結(jié)果,再現(xiàn)了裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展、斷裂失效過程,并以此為出發(fā)點(diǎn),提出了此類產(chǎn)品在制造環(huán)節(jié)、使用管理環(huán)節(jié)的預(yù)防措施,有效防止了該類事故的再次發(fā)生的幾率。
關(guān)鍵詞:人孔法蘭 失效分析
中圖分類號:TQ05017;TQ05019文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)12(a)-0070-01
1 設(shè)備簡況
洛陽石化工程公司液化石油氣堿洗罐V702,1986年有洛陽設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),許昌通用機(jī)械廠于次年按JB741-80《鋼制壓力容器技術(shù)條件》制造,100%超聲波檢測,焊后熱處理,1989年投入使用,至今累計(jì)投用時(shí)間13年。期間開停工次數(shù)為7次。最近年檢時(shí)間為2000年3月,由洛陽鍋檢所對該罐的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、表面進(jìn)行了外表面檢查,對筒體進(jìn)行了超聲測厚;對筒體對接環(huán)焊縫進(jìn)行了磁粉探傷,環(huán)焊縫進(jìn)行了超聲波探傷,檢驗(yàn)結(jié)果判定安全狀況等級為2級,2000年3月年度檢驗(yàn)后未作防腐處理。
該液化石油氣堿洗罐V702的使用參數(shù)如下。
設(shè)計(jì)壓力:1.65 MPa;使用壓力:1.23 MPa;設(shè)計(jì)溫度:40 ℃;主體材質(zhì):16 MnR。
操作介質(zhì):液化石油氣(C2~C5)、5%~10% NaOH、5PPmH2S、RSH≤100 PPm、總硫≤200PPm。
該液化石油氣堿洗罐的人孔法蘭為標(biāo)準(zhǔn)件,規(guī)格φ480 mm×12 mm,材質(zhì)16 MnR鍛件,按JB585-79-6規(guī)范制造。2002年6月發(fā)現(xiàn)人孔法蘭頸部有泄漏,檢查發(fā)現(xiàn)在泄漏的部位有一條長約400 mm的裂紋,在停工處理的過程中,裂紋擴(kuò)展達(dá)法蘭圓周的2/3。為了查清開裂原因,洛陽石化公司委托中石化蘭州設(shè)備分析中心做了金相分析、化學(xué)成分析、電鏡斷口形貌分析及斷口產(chǎn)物X-RAY能譜微區(qū)成分分析。
2 檢驗(yàn)分析
2.1 斷口宏觀檢查(如圖1)
2.1.1 金相分析和硬度檢驗(yàn)及結(jié)果
金相檢驗(yàn)取樣分別在法蘭的開裂部位以及法蘭的螺栓孔附近切取,金相檢驗(yàn)依據(jù)相關(guān)的金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、JB4726-94《鋼制壓力容器法蘭》和GB150-1998標(biāo)準(zhǔn)之法蘭規(guī)定進(jìn)行,金相顯示,法蘭組織為鐵素體組織+珠光體組織+魏氏體組織,金相顯微鏡下顯示的組織具有明顯的方向性并存在MnS夾雜物,夾雜物級別為2級,晶粒度為7級,對開裂不會產(chǎn)生直接的影響。
裂紋附近硬度測試結(jié)果,布氏硬度(HBS10/3000/30)148、143,硬度值正常。
2.1.2 化學(xué)成分分析
化學(xué)成分分析結(jié)果顯示,該人孔法蘭材質(zhì)符合JB4726-94《鋼制壓力容器法蘭》關(guān)于16 MnR鍛件制造規(guī)范對該類人孔法蘭材質(zhì)的要求。
2.1.3 斷口產(chǎn)物分析
將原始斷口進(jìn)行X-RAY能譜微區(qū)成分分析,斷口腐蝕產(chǎn)物主要為O、Na、Si、S、Mn、Fe等元素,斷口上Mn元素較正常值高
3 結(jié)果與分析
通過以上檢驗(yàn)分析的結(jié)果,可以判斷該法蘭失效開裂呈典型的氫致裂紋開裂的特征,第一開裂具有延時(shí)性特征,該容器運(yùn)行了13年才失效開裂,第二裂紋起源于材料的內(nèi)部,裂紋多分布在夾雜的地方,第三開裂與容器的介質(zhì)有關(guān),失效的V702液化氣堿洗罐介質(zhì)中有Na2S,在一定條件下Na2S+2H2O→2NaOH+H2S,也就是說,該人孔法蘭有極大傾向產(chǎn)生氫致裂紋。
在濕硫化氫的作用下,非金屬夾雜物聚集的地方構(gòu)成原電池,在它的周圍產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,在應(yīng)力作用下形成微裂紋,由于裂紋尖端曲率半徑小,產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力大于金屬的屈服強(qiáng)度,在裂紋的尖端形成新的斷面,多處斷面串接,就構(gòu)成了我們觀察到的階梯狀開裂現(xiàn)象。
通過分析,V702罐開裂失效的原因一是非金屬夾雜物得存在,非金屬夾雜物及周圍在濕硫化氫的環(huán)境中構(gòu)成原電池,形成裂紋源。二是法蘭頸部幾何形狀突變,是應(yīng)力集中區(qū),所以應(yīng)力腐蝕開裂易發(fā)生在此部位。
4 結(jié)論
失效法蘭是介質(zhì)硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕開裂,材料中大量的非金屬夾雜物(MnS)是裂紋形成的源頭,在裂紋的形成中起著關(guān)鍵的作用。
5 預(yù)防措施
5.1 制造環(huán)節(jié)
在使用工藝中,我們不能改變V702罐的介質(zhì),在壓力容器制造中,我們可以對制造化工類壓力容器的法蘭鍛件100%超聲檢測,在法蘭頸處幾何變形量最大部位,用斜直探頭以100%的比例掃查,必要時(shí)對法蘭頸部以10倍以上宏觀金相檢測,減少大的非金屬夾雜物的聚集區(qū),控制裂紋形成的源頭。
5.2 使用環(huán)節(jié)
(1)加大班次設(shè)備巡檢力度,要及時(shí)清除人孔法蘭頸部的灰塵、鐵銹等雜物,每次巡檢時(shí),要仔細(xì)查看頸部是否有液體滲出,做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)。
(2)依據(jù)《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》,每要對壓力容器進(jìn)行年度檢驗(yàn),一般有企業(yè)自行檢驗(yàn)檢驗(yàn)時(shí),對法蘭頸可疑部位進(jìn)行PT檢測,必要時(shí)進(jìn)行UT檢測,用斜直探頭對幾何加工變形處大的部位掃查。
(3)依據(jù)《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》,根據(jù)容器的整體安全性能狀況,每隔3~5年要停車開罐對壓力容器全面檢驗(yàn),在定期檢驗(yàn)時(shí),對人孔法蘭內(nèi)表面(與介質(zhì)接觸面),要100%MT或100%PT檢測,對檢測懷疑部位,進(jìn)行UT檢測,這樣我們能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)裂紋源的形成及擴(kuò)展,排除安全隱患,減少人孔法蘭出現(xiàn)裂紋失效事故的幾率。為企業(yè)生產(chǎn)減少不必要的停車檢修。
自從上述措施實(shí)施以來,截止到下一次全面檢驗(yàn)周期為止,該類V702人孔法蘭沒有再出現(xiàn)一次裂紋失效案例,基本上解決了該類問題,是該類容器運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性得到了很大的提高,同時(shí)也為企業(yè)帶來了切實(shí)的利益,保護(hù)了人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。
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