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S32205雙相不銹鋼制壓力管道爆燃事故分析

返回列表 來源:未知 瀏覽: 發布日期:2020-11-16 16:46【
摘要:本文通過一起S32205雙相不銹鋼制壓力管道爆燃事故分析,對事故彎頭進行了無損檢測、成分分析、硬度檢測、鐵素體含量檢測、2205不銹鋼管金相檢驗、力學性能試驗,研究了雙相不銹鋼鐵素體含量對鋼材性能的影響,指出通常雙相鋼鐵素體和奧氏體各50%的設計未考慮熱成形或焊接熱加工對鐵素體量增加導致組織性能下降的影響,雙相不銹鋼鐵素體含量應45%和奧氏體應55%為適宜。
1. 引言
某石化項目加氫裂化裝置試車,在氫氣升壓過程管線上一彎頭發生開裂,導致氫氣介質泄漏爆燃,經濟損失巨大。該管線設計壓力:15.37MPa,設計溫度:200℃,操作壓力:13.76MPa,操作溫度:154℃,介質:熱高分油氣(主要成份氫氣)。事故彎頭規格為Φ609.6mm×36mm,材質為ASTM A815 S32205,直管材質:ASTM A790 S31803。
現場檢查開裂彎頭,彎頭本體開裂連續長度約1.84米,彎頭周長為1.91米,開裂在彎頭范圍之內,幾乎貫穿整個圓周,裂縫斷口呈脆性斷裂特征,見圖1圖2。彎頭開裂的邊緣一端接近焊縫,開裂的另一端邊緣距離焊縫約160mm,在彎頭開裂的焊縫另一側的焊接接頭熔合線有一條113mm的裂紋見圖3,深9.5mm,彎頭壁厚36mm,而該焊縫熔敷金屬未見開裂。
該批彎頭管件在驗收時進行了10%的光譜檢測和100%滲透檢測,驗收合格后投入安裝的,驗收時的無損檢測并未發現缺陷。 
2.無損檢測及理化檢測
2.1 彎頭及焊接接頭的無損檢測
    對事故彎頭(下稱No1彎頭)的本體及未發生事故的同類彎頭(下稱No2彎頭)本體進行100%超聲檢測與滲透檢測檢測,對焊接接頭進行了100%射線檢測、磁粉檢測與滲透檢測,檢測結果顯示,除事故開裂處及圖3的熔合線裂紋外,彎頭本體未見其它缺陷,這證明在彎頭事故前的無損檢測無缺陷的結果是可信的。
2.2管件的硬度與鐵素體含量檢測
2.2.1硬度檢測
    對No1彎頭和未開裂的No2彎頭的本體使用里氏硬度計進行全面網格硬度測定,硬度測定結果顯示:No1彎頭總共檢測了210點,硬度范圍HB240~HB344,均超過產品質量證明書的測定值HB 215~HB225,其中有119點硬度值超過HB290(ASTM A815標準上限為HB290),彎頭外彎部位總共測了93點,硬度超過HB290的有69點。
No2完好彎頭硬度總共檢測了192點,硬度范圍HB240~HB325,均超過產品質量證明書的測定值HB 215~HB225,其中有74點硬度值超過HB290(ASTM A815標準上限為HB290),彎頭外彎部位總共測了93點,硬度超標的有47點。 
2.2.2鐵素體含量檢測
   分別對No1彎頭和No2彎頭的外壁進行鐵素體含量測定各測72點,No1彎頭的鐵素體含量為46.9%~71.7%, No2彎頭的鐵素體含量為 41.6%~69.4%;No1彎頭所連直管鐵素體含量為 44.6%~59.4%,No2彎頭所連直管鐵素體含量為 44.6%~56.5%,No1、No2彎頭各有超過20%以上測試點鐵素體含量超過60%。相對直管而言,No1彎頭和No2彎頭鐵素體,含量不均勻,波動范圍較大,高限超過標準允許值60%鐵素體含量,不滿足GB/T21833-2008《奧氏體鐵素體雙相不銹鋼無縫鋼管》中第5.9條規定鐵素體含量為40%~60%的要求。
表2   彎頭的鐵素體含量 
2.3管件的成分檢測、金相檢驗與力學性能檢測
2.3.1成分檢測
截取彎頭和直管進行化學成分分析,分析結果(見表3 )表明,彎頭和直管的化學成分均能滿足相關標準的要求。 
2.3.2金相檢驗
    對No1彎頭進行金相檢驗,發現金相組織異常粗大(晶粒尺寸達到2~6mm,見圖4),晶粒度低于00級,比正常晶粒尺寸增大約100倍,表現出典型的過熱組織特征,No2彎頭金相組織也有一定的過熱特征(見圖5),晶粒尺寸小于No1彎頭。No1及No2彎頭相連的直管段金相組織正常。 
2.3.3力學性能檢測
2.3.3.1延伸率
    事故彎頭外弧部位截取4件拉伸試樣中有3件試樣的延伸率不符合ASTM A815標準中延伸率應大于25%的要求,4件拉伸試樣拉伸試驗結果分別為20%、22%、24%、27%,其中延伸率為20%、22% 的試件處于靠近開裂處的彎頭外弧位置。
2.3.3.2沖擊功
    直管試件的沖擊功為292J,292J,293J,No1彎頭外弧位置的沖擊功為149J,174J,160J。熱成形加工后的彎頭沖擊功明顯低于直管段的沖擊功。資料【1】顯示沖擊功應大于250J。
2205不銹鋼管
3.型式試驗
    根據TSGD7002-2006《壓力管道元件型式試驗規則》【2】的規定,相應管件應經TSGD7002-2006規定的型式試驗(技術文件審查、樣品檢驗測試和安全性能試驗)來驗證熱加工成形的產品安全性能是否滿足安全技術要求。而該批管件提供的型式試驗報告是冷成形加工工藝,與該批管件實際熱加工成型工藝不符合。也就是該批管件實際熱加工的工藝未經TSG D7002 TSG D7002安全技術規范規定的型式試驗的驗證,管件的安全性能質量無法保證。
4.分析討論
4.1針對已成形缺陷的無損檢測
    雙相鋼管件在施工前驗收時做了超聲、滲透檢測,經No1彎頭和No2彎頭事故前后的超聲、滲透檢測對比,事故前后的彎頭無損檢測結果是一致的。也就是在開裂前,彎頭不存在裂紋等缺陷。對于在開裂彎頭焊縫另一側熔合線發現的113mm長的裂紋,經核查事故前射線底片,該位置事故前無裂紋,此裂紋被認為是事故中產生的。綜合對比前后無損檢測結果,可以判定事故前彎頭無損檢測的結果是可信的,彎頭沒有存在已成形缺陷如裂紋、未焊透、未熔合等,但是后來在彎頭本體產生了1.91米長的脆性大開口開裂,因此僅針對可能存在的已成形缺陷(如裂紋、未焊透、未熔合等)的無損檢測是不夠的、是有局限性的。
4.2針對成分組織性能不合格(未成形缺陷)的無損檢測
    安裝時施工單位按照SH/T3501的要求,對管件按質證書、外觀、尺寸規格、標志、光譜10%、表面檢測100%進行驗收,其中光譜是針對成分的檢測,表面檢測是針對已成形缺陷的檢測,未按安全技術規范TSGD7002-2006的規定進行型式試驗證書的檢查,也未按ASTM A815【3】及GB/T21833-2008規定對管件的組織性能進行檢測,即未檢測鐵素體含量和硬度。
   成分分析(含光譜檢測)屬于成分檢測,鐵素體含量測試屬于組織檢測,硬度檢測屬于性能檢測。在金相組織中馬氏體硬度高于珠光體,珠光體硬度高于鐵素體,鐵素體的硬度高于奧氏體,故通過硬度值可大致了解材料的金相組織、以及材料在加工過程中的組織變化和熱處理效果。No1彎頭和No2彎頭成分檢測符合標準規定,但鐵素體含量超過了標準規定60%,硬度值超過標準規定的HB290,證明No1彎頭和No2彎頭雖然化學成分符合要求,但組織性能發生了劣化,施工前必須按專業標準規范TSGD7002-2006、ASTM A815及GB/T21833-2008的要求,進行型式試驗的檢查和組織性能檢測(鐵素體含量檢測、硬度檢測)。
4.3 工藝加工性與使用耐久性
    標準規定S32205雙相不銹鋼固溶處理溫度為1020℃~1100℃,當加熱到1200℃以上時,S32205雙鋼鋼高溫延伸率會大大提高,可達1200%,極便于加工成型,但冷卻后會導致晶粒急劇粗大,性能急劇劣化,表現為硬度超過HB290,鐵素體含量超過60%,材質脆化。因此S32205雙相不銹鋼熱加工時(含焊接)不僅應考慮工藝加工性的便利,更要考慮加工成型后的使用耐久性,而使用耐久性是由組織和性能決定的。通過工藝控制S32205雙相不銹鋼鐵素體含量低于60%,盡量接近于50%的中間值,硬度低于HB290,盡量接近于原材料硬度值,是保證S32205雙相不銹鋼使用耐久性(避免開裂)的關鍵因素。
4.4彎頭的失效機理
從試驗和檢查數據看,No1開裂彎頭及同批管件由于使用未經型式試驗驗證合格的工藝進行熱加工,造成晶粒粗大、硬度超標、鐵素體含量超標、延伸率下降、沖擊韌性下降、材質脆化,導致No1彎頭發生了開裂,而同批管件由于工藝相同,存在材質劣化導致開裂的可能。
隨著固溶處理溫度的升高,鐵素體相的比例增加,奧氏體相的比例下降。1200℃以上固溶鐵素體晶粒顯著增大【4】。據文獻【5】不同固溶溫度下2205雙相不銹鋼兩相比例見表4
由表4可以看鐵素體含量是隨著固溶溫度的提高而提高的,當鐵素體含量為65.4%時對應固溶溫度是1300℃,這大大超過ASTM A815及 GB/T21833-2008規定的S32205雙相不銹鋼固溶處理1020~1100℃范圍的要求。鐵素體含量大于60%的超標和硬度的大于HB290的超標可以揭示雙相鋼熱加工固溶處理溫度的超過1100℃的超標。
雙相不銹鋼具有鐵素體+奧氏體的兩相組織結構,通常將鐵素體/奧氏體控制在50%/50%(體積分數),所以它同時具有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的性能特點。與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的韌性高、脆性轉變溫度低、耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高,并且還保留了鐵素體不銹鋼熱導率高、線膨脹系數小、具有超塑性等特點;與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼強度較高,特別是屈服強度顯著提高,且耐晶間腐蝕、耐應力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能都有明顯的改善。
由于隨著熱加工固溶溫度的升高,S32205雙相不銹鋼組織中的鐵素體相含量是逐漸增加的,而當鐵素體含量超過60%時,雙相鋼晶粒急劇粗大【5】,硬度急劇上升,材質脆化。相關標準未考慮焊接等熱加工后導致鐵素體含量增加對組織性能下降的影響,因此應把鐵素體相與奧氏體相比值從50%:50%調整為45%:55%,為管件熱成形、焊接等熱加工預留鐵素體相增加的空間,防止熱加工后鐵素體相增加導致的材質脆化。焊接是一個急劇加熱冷卻熱循環過程,GB50517、SH3501、SH/T3558對焊縫金屬鐵素體含量規定為30%~60%是適宜的。焊接過熱區經歷過急劇的熱循環,也存在晶粒粗大,硬度升高,過熱導致鐵素體相增加的問題,因此在熔合線產生了圖3的熔合線裂紋。
2205不銹鋼管
4.5基于失效機理的無損檢測
    現代無損檢測的定義:在不損壞試件的前提下,以物理或化學方法為手段,借助先進技術和設備器材,對試件的內部及表面的結構,性質,狀態進行檢查和測試的方法。從定義來看,四項常規無損檢測,聲發射,渦流屬于無損檢測,硬度、鐵素體含量、光譜、金相檢測也屬于無損檢測。
通常的無損檢測指射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、聲發射檢測、渦流檢測、目視檢測以及TOFD檢測和相控陣檢測等,主要是針對材料中存在的不連續(缺陷)的檢測,通常大家關注已成形缺陷(如裂紋、未焊透等)的檢測,以及持續關注檢測技術的提升,而沒有未成形缺陷(材料中存在的成分組織性能不合格)的加以關注,而材料成分組織性能的不合格更容易轉化為成形缺陷產生斷裂等嚴重事故。
TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》8.2.1規定應當根據壓力容器的使用情況、損傷模式及失效模式,制定檢驗方案,也就是要通過查閱研究以往同類資料,根據設備的使用情況,2205不銹鋼管事先掌握該設備材料失效模式,有重點有針對性制定檢驗檢測方案,避免無的放矢,造成漏檢。檢驗方案中有針對性的方法的遺漏是別的檢測方法所無法彌補的。
S32205雙相不銹鋼失效機理就是熱加工溫度超過1100℃后,會產生晶粒粗大,鐵素體含量大于60%,硬度超過HB290,材料脆化,但不一定馬上產生開裂,因此應針對失效機理在管件驗收時應進行質證書核查、型式試驗證書核查、外觀檢查、尺寸規格檢查、標志的檢查,光譜檢測,100%的表面檢測,100%的硬度檢測,100%的鐵素體檢測,100%的測厚檢測。無損檢測不僅要針對已成形缺陷,也要針對未成形缺陷的成分組織性能的不合格,已成形的缺陷是缺陷,未成形的成分組織性能的缺陷也是缺陷,有時未成形的缺陷比已成形的缺陷危害更大,只有基于失效機理的無損檢測才是有效的無損檢測。
5.結論
5.1、廣義的無損檢測不僅應包括對已成形缺陷的檢測,還應該包括未成形缺陷(成分組織性能不合格)的無損檢測,常規的無損檢測不能(成分組織性能的不合格),基于失效機理的無損檢測可以檢出未成形缺陷,實現失效的早期預警。
5.2、硬度檢測作為性能快速檢測的方法應在材料失效預警的檢測中廣泛應用。
5.3、S32205雙相不銹鋼管件在檢驗時應采取鐵素體含量檢測和硬度檢測來實現組織性能失效的預警。S32205雙相鋼鐵素體含量應嚴格控制60%以下并接近于50%的中間值,硬度應嚴格控制HB290以下,硬度值達到或超過HB290、鐵素體含量達到或超過60%,極易發生開裂失效。
5.4、鐵素體含量大于60%和硬度值大于HB290的超標揭示的是S32205雙相不銹鋼熱加工處理溫度大于1100℃的超標和組織的脆化。
5.5、考慮焊接和熱加工成形導致鐵素體含量增加對組織性能下降的影響,S32205雙相鋼鐵素體含量應控制45%(30%~60%)左右為宜,焊縫鐵素體含量應控制在30%~60%,鐵素體含量接近或超過60%極易發生脆化開裂失效。
 
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