压力容器培训讲义 之 压力管道失效分析及事故案例 4

80万吨/年航煤脱硫醇R-7101反应器进料导压管裂纹断裂失效分析（一）•发现开裂的导压管系80万吨/年航煤脱硫醇R－7101反应器进料管靠近焊缝部位（近堆焊处）。该装置2002年9月正式投入使用运行。发现进料导压管近焊缝处出现管内介质向外泄漏现象。随即组织检查，通过表面着色探伤发现管子外壁有穿透裂纹存在。•该进料导压管操作参数如下：–操作压力：2.8MPa–操作温度：240℃–管内介质：航煤–管子材料：0Cr18Ni9Ti进料导压管裂纹断裂失效分析（二）•导压管材料的化学成分分析•该材料牌号为0Cr18Ni9Ti，系奥氏体不锈钢无缝钢管，说明实际使用的材料与设计选用材料相同，所用材料无误。CMnSiPSCrNiTi实测0.050.510.590.0090.00818.3310.000.36标准≤0.08≤2.0≤1.0≤0.03≤0.0317.0~19.08.0~11.00.25~0.7进料导压管裂纹断裂失效分析（三）•进料导压管裂纹宏观形貌分析进料导压管裂纹断裂失效分析（四）进料导压管裂纹断裂失效分析（五）进料导压管裂纹断裂失效分析（六）•导压管材料的金相组织•导压管管子母材组织呈多边形奥氏体孪晶组织，并有颗粒状碳化物存在，少量的灰色条状为铁素体相，焊缝组织呈单相奥氏体树枝状组织，从材料的组织说明未有脆性相析出。进料导压管裂纹断裂失效分析（七）母材金相焊缝金相进料导压管裂纹断裂失效分析（八）•裂纹断口的微观形貌分析疲劳源疲劳纹疲劳纹疲劳纹进料导压管裂纹断裂失效分析（九）1、本次导压管产生的裂纹属疲劳裂纹。2、建议对同类进料导压管承插焊及热影响区进行外表面着色检查，一旦发现有裂纹应及时修理。3、预防导压管类似裂纹的再次产生的措施是承插焊接处的焊缝堆高不易过高，并做到焊缝熔合区部位圆滑过渡，以避免该处几何形状突变，造成过大的应力集中。加氢单元阀门裂纹失效分析（一）•加氢单元的一个阀门发生泄漏，泄漏位置在阀体与法兰的承插连接焊缝处，在焊缝中心线有一道裂纹。•该阀门所在位置是循环氢压缩机入口分液缸沉筒液位计一次阀。•相应的工况为：•操作压力：110Kgf/cm2•温度：40℃～50℃•介质：H2，其中H2S含量为400～500ppm•阀体材质：碳钢•该阀门为900磅级的1″闸阀，采用法兰连接，法兰和阀体之间为承插焊接。该阀门制造后按B31.3标准，因焊缝处壁厚小于19mm，未进行焊后热处理。加氢单元阀门裂纹失效分析（二）•承插焊阀门材料的化学成分分析•化学成分表明，该阀门的材料为低碳钢，对应相应的钢号标准，该材料应为20号钢，没有选材问题。CMnSiSPCrNiCu母材0.220.580.280.0140.0070.060.060.22焊缝0.131.120.630.0160.0100.030.040.22加氢单元阀门裂纹失效分析（三）•承插焊阀门裂纹宏观形貌分析加氢单元阀门裂纹失效分析（四）加氢单元阀门裂纹失效分析（五）试样的金相组织•母材和热影响区的组织为铁素体和珠光体，热影响区的组织呈魏氏组织，焊缝组织由网状铁素体、珠光体、上贝氏体组成。热影响区（抛光态）还存在弧状的夹杂，这些夹杂对本次裂纹扩展及断裂应无影响。母材的晶粒较细，应该是受焊接后的冷却速度影响，且未进行焊后热处理。加氢单元阀门裂纹失效分析（六）加氢单元阀门裂纹失效分析（七）从微观断口形貌可以看到，该疲劳断口附着腐蚀产物，但仍可以看到疲劳辉纹，而产生疲劳辉纹的必要条件是裂纹尖端处于张开型的平面应变条件下。因此该断口应是高应力低周期疲劳断口。加氢单元阀门裂纹失效分析（八）•由计算模型可知，未焊透时焊缝根部应力集中，应力水平相当高，同时阀门在循环氢压缩机附近，存在振动，因此形成了导致疲劳裂纹产生和裂纹扩展的较大应力幅。而如果焊缝是焊透的，则焊缝根部的应力水平低。加氢单元阀门裂纹失效分析（九）结论：•根据本次失效分析，确认由于焊缝未焊透，存在应力集中，是本次阀门承插焊缝疲劳裂纹产生的原因，不存在应力腐蚀问题。•对于目前在用的类似阀门，应对承插焊缝进行检测，对于存在未焊透以及类似工况的阀门应于更换。•今后采用阀门，应选用对接焊结构的阀门，且焊后需要进行无损检测，确定不存在有害缺陷。加氢压缩机二级活塞杆断裂失效分析（一）•本次发生活塞杆断裂的加氢压缩机系加氢裂化装置中的重要设备之一。该机组运行至2003年8月15晚上，突然发生二级活塞杆断裂情况，造成紧急停车事故。打开机组进行检查，发现压缩机的活塞杆断裂的部位是在十字头法兰与十字头螺母联接处第二齿顶部位，沿第二齿齿顶处将整个活塞杆沿垂直轴线方向断裂成两段，见图所示。二级活塞杆断裂失效分析（二）•该活塞杆的材料，牌号为Custom450。该材料为沉淀硬化不锈钢。它是通过加入沉淀强化元素铜、银、铝等来满足材料强度和塑性要求的，该材料主要特点是高的强度、较好的延性和优异的耐腐蚀性能。•通过化学成分分析结果来看，现场所用材料与设计选用材料基本一致，没有材料误用的可能性。CMnSiCrMoNiAl断裂样品0.080.480.5214.730.716.50.8标准值0.030.250.6015.00.86.0二级活塞杆断裂失效分析（三）•活塞杆断口的宏观形貌分析二级活塞杆断裂失效分析（四）•活塞杆螺纹纵截面金相检查以及金相组织分析二级活塞杆断裂失效分析（五）二级活塞杆断裂失效分析（六）•对活塞杆螺纹冷滚压加工工艺二级活塞杆断裂失效分析（七）•活塞杆断口的微观形貌分析A区域二级活塞杆断裂失效分析（八）B区域C区域二级活塞杆断裂失效分析（九）A区域二级活塞杆断裂失效分析（十）C区域B区域二级活塞杆断裂失效分析（十一）•活塞杆的疲劳强度计算与校核•许用应力幅安全系数在2.5～4之间，应力安全系数应在1.25～2.5之间，而本活塞杆的两个系数均小于通常要求的安全系数值，说明在正常运转情况下，如活塞杆存在缺陷时，容易发生疲劳断裂。二级活塞杆断裂失效分析（十二）•断裂过程的分析•该活塞杆棒材经固溶化＋时效处理后，从国外进口在国内进行加工制造。在加工活塞杆螺纹时由于采用冷滚压加工工艺，造成材料整个螺纹齿顶部位出现整圈环向微裂纹，深度约0.2~0.4mm。这些齿顶上的微裂纹通过着色表面探伤是无法检查出的。因此这些带有螺纹裂纹的活塞杆通过现场安装预紧后投入正常运行。在预紧力＋惯性力＋气体压力等联合外力作用下，造成齿顶部位的微裂纹开裂形成缺口（主要外力因素为螺纹预紧力）。随后在活塞杆运行过程中受到交变载荷的作用，使该缺口成为最初的疲劳裂源。随着运行时间的增加，疲劳裂纹进一步扩展最终导致活塞杆整个断面的疲劳破坏。连接螺栓断裂失效不锈钢螺栓的失效（一）•Cr-Ni奥氏体不锈钢在使用前或冶炼厂出厂交货状态多为固溶处理状态。即将不锈钢加热到高温（1000~1150℃左右，随钢种而异），保温后快冷（一般为水冷）。此时，当Cr-Ni奥氏体不锈钢中含碳量在0.02~0.03%以上时（随钢中的含Ni量而异），碳在钢中便处于过饱和状态。•当螺栓含碳量较高，在敏化温度下，C易向晶界扩散，析出并与其附近的铬形成铬的碳合物。在常用的Cr-Ni奥氏体不锈钢中，这种碳化物一般为Cr23C6。由于这种碳化物含有较高的Cr，所以铬碳化物沿晶界沉淀就导致了碳化物周围钢的基体中Cr浓度的降低，形成所谓“贫铬区”，最终将导致晶界的耐腐蚀性下降。不锈钢螺栓的失效（二）•Ti的作用主要是与钢中过饱和的碳形成稳定的TiC碳化物而防止或减少铬碳化物Cr23C6的形成。•要避免形成贫铬区，理想的Ti/C为6以上，因此如螺栓材料中的Ti含量低，则不能发挥其作用。•同时当18-8材料含C量达到或超过0.12时，容易与Cr形成复杂的碳化铬。不锈钢螺栓的失效（三）•由下表的化学成分表明，该螺栓的材料为奥氏体不锈钢，根据相应的钢号标准，如该材料为1Cr18Ni9钢，则C含量高出标准值较多，Cr含量偏低，而Ti的含量也很少。因此该材料的化学成分未达到标准要求。CMnSiSPCrNiTi标准值1Cr18Ni9≤0.12≤2.0≤1.0≤0.03≤0.03517~198～11螺栓0.200.680.420.0070.02617.168.760.07不锈钢螺栓的失效（四）•由下表可知，化学成分完全不符合304SS的标准要求。经检索钢号标准，该材料接近我国牌号为1Cr17Mn6Ni5N的材料，ANSI中200系列的201不锈钢材料。该螺栓材料C含量偏高，Cr含量偏低，而S的含量也大于标准值。1Cr17Mn6Ni5N属于节镍钢种，代替1Cr17Ni7材料。本螺栓材料应为Cr－Mn系不锈钢材料，其中Mn元素主要是为了增加钢材的强度和硬度。CMnSiSPCrNi螺栓0.207.00.420.050.02812.123.87304标准值≤0.082.01.0≤0.03≤0.0318.0~20.08.0~12.01Cr17Mn6Ni5N≤0.155.5~7.5≤1.0≤0.03≤0.0316.0~18.03.5~5.5不锈钢螺栓的失效（五）•螺栓的失效主要是材料问题，材料不符标准要求，或者材料误用。不锈钢螺栓的失效（六）不锈钢螺栓的失效（七）•根据断口的金相照片，可以清晰看到沿晶的开裂，断口附近的晶粒边界已明显被腐蚀。不锈钢螺栓的失效（八）•从图中可看到树枝状的裂纹，裂纹起源为螺栓表面，为典型的晶间型应力腐蚀裂纹形貌特征。不锈钢螺栓的失效（九）不锈钢螺栓的失效（十）不锈钢螺栓的失效（十一）不锈钢螺栓的失效（十二）1、Cr-Ni奥氏体不锈钢的晶间型应力腐蚀，发生断裂的螺栓，其含碳量高，如螺栓在制造加工期间在敏化温度（450~850℃）范围加热，则钢中过饱和的碳就会向晶界扩散，析出并与其附近的铬形成铬的碳合物，造成晶界的耐腐蚀性下降，因此裂纹会沿晶扩展。2、造成螺栓断裂的裂纹基本上集中在螺栓杆的中部；裂纹长，且存在树状分支；裂纹扩展方向与螺栓所受拉应力方向垂直；在断口上有大量腐蚀产物，且含有硫离子和氯离子。通过这些特征可以确定本次螺栓的腐蚀破坏形式是晶间型应力腐蚀。3、硫离子和氯离子是造成应力腐蚀的主要介质。氯离子的腐蚀性能非常突出、而硫离子的存在也可引起敏化态的不锈钢的晶间应力腐蚀。这两种介质的来源可能是周围装置环境或潮湿的海洋大气，螺栓所处的工况条件如在常温或低于常温，容易在法兰的连接面间隙处形成腐蚀环境，因此造成在螺栓杆中部的晶间型应力腐蚀。不锈钢螺栓的失效（十三）1、失效的螺栓的材料含碳量高，容易造成此类晶间应力腐蚀。2、为避免类似的晶间型应力腐蚀产生，可采取措施避免形成含氯、硫介质的腐蚀环境。比如对该处进行外保护，如进行冷保温或在螺栓杆涂上环氧漆，避免腐蚀介质进入等等。•分析事故发生原因操作不规范产品质量差……•如何从源头上减少事故的发生加强职工技术培训，规范操作，增强安全意识加强产品质检，杜绝伪劣产品……谢谢！施哲雄博士华东理工大学安全保障技术研究室Tel：64253181-16