洛阳石化工程公司液化石油气碱洗罐V702, 1986年有洛阳设计院设计, 许昌通用机械厂于次年按JB741-80《钢制压力容器技术条件》制造, 100%超声波检测, 焊后热处理, 1989年投入使用, 至今累计投用时间13年。期间开停工次数为7次。最近年检时间为2000年3月, 由洛阳锅检所对该罐的结构、几何尺寸、表面进行了外表面检查, 对筒体进行了超声测厚;对筒体对接环焊缝进行了磁粉探伤, 环焊缝进行了超声波探伤, 检验结果判定安全状况等级为2级, 2000年3月年度检验后未作防腐处理。
该液化石油气碱洗罐V702的使用参数如下。
设计压力:1.65 MPa;使用压力:1.23 MPa;设计温度:40℃;主体材质:16 MnR。
操作介质:液化石油气 (C2～C5) 、5%～10%NaOH、5PPmH2S、RSH≤100 PPm、总硫≤200PPm。
该液化石油气碱洗罐的人孔法兰为标准件, 规格φ480 mm×12 mm, 材质16 MnR锻件, 按JB585-79-6规范制造。2002年6月发现人孔法兰颈部有泄漏, 检查发现在泄漏的部位有一条长约400 mm的裂纹, 在停工处理的过程中, 裂纹扩展达法兰圆周的2/3。为了查清开裂原因, 洛阳石化公司委托中石化兰州设备分析中心做了金相分析、化学成分析、电镜断口形貌分析及断口产物X-RAY能谱微区成分分析。
金相检验取样分别在法兰的开裂部位以及法兰的螺栓孔附近切取, 金相检验依据相关的金相检验标准、JB4726-94《钢制压力容器法兰》和GB150-1998标准之法兰规定进行, 金相显示, 法兰组织为铁素体组织+珠光体组织+魏氏体组织, 金相显微镜下显示的组织具有明显的方向性并存在MnS夹杂物, 夹杂物级别为2级, 晶粒度为7级, 对开裂不会产生直接的影响。
裂纹附近硬度测试结果, 布氏硬度 (HBS10/3000/30) 148、143, 硬度值正常。
化学成分分析结果显示, 该人孔法兰材质符合JB4726-94《钢制压力容器法兰》关于16 MnR锻件制造规范对该类人孔法兰材质的要求。
将原始断口进行X-RAY能谱微区成分分析, 断口腐蚀产物主要为O、Na、Si、S、Mn、Fe等元素, 断口上Mn元素较正常值高
通过以上检验分析的结果, 可以判断该法兰失效开裂呈典型的氢致裂纹开裂的特征, 第一开裂具有延时性特征, 该容器运行了13年才失效开裂, 第二裂纹起源于材料的内部, 裂纹多分布在夹杂的地方, 第三开裂与容器的介质有关, 失效的V702液化气碱洗罐介质中有Na2S, 在一定条件下Na2S+2H2O→2NaOH+H2S, 也就是说, 该人孔法兰有极大倾向产生氢致裂纹。
在湿硫化氢的作用下, 非金属夹杂物聚集的地方构成原电池, 在它的周围产生电化学腐蚀, 在应力作用下形成微裂纹, 由于裂纹尖端曲率半径小, 产生很大的应力集中, 当应力大于金属的屈服强度, 在裂纹的尖端形成新的断面, 多处断面串接, 就构成了我们观察到的阶梯状开裂现象。
通过分析, V702罐开裂失效的原因一是非金属夹杂物得存在, 非金属夹杂物及周围在湿硫化氢的环境中构成原电池, 形成裂纹源。二是法兰颈部几何形状突变, 是应力集中区, 所以应力腐蚀开裂易发生在此部位。
失效法兰是介质硫化氢引起的应力腐蚀开裂, 材料中大量的非金属夹杂物 (MnS) 是裂纹形成的源头, 在裂纹的形成中起着关键的作用。
在使用工艺中, 我们不能改变V702罐的介质, 在压力容器制造中, 我们可以对制造化工类压力容器的法兰锻件100%超声检测, 在法兰颈处几何变形量最大部位, 用斜直探头以100%的比例扫查, 必要时对法兰颈部以10倍以上宏观金相检测, 减少大的非金属夹杂物的聚集区, 控制裂纹形成的源头。
(1) 加大班次设备巡检力度, 要及时清除人孔法兰颈部的灰尘、铁锈等杂物, 每次巡检时, 要仔细查看颈部是否有液体渗出, 做到及时发现。
(2) 依据《压力容器定期检验规则》, 每要对压力容器进行年度检验, 一般有企业自行检验检验时, 对法兰颈可疑部位进行PT检测, 必要时进行UT检测, 用斜直探头对几何加工变形处大的部位扫查。
(3) 依据《压力容器定期检验规则》, 根据容器的整体安全性能状况, 每隔3～5年要停车开罐对压力容器全面检验, 在定期检验时, 对人孔法兰内表面 (与介质接触面) , 要100%MT或100%PT检测, 对检测怀疑部位, 进行UT检测, 这样我们能及时的发现裂纹源的形成及扩展, 排除安全隐患, 减少人孔法兰出现裂纹失效事故的几率。为企业生产减少不必要的停车检修。
自从上述措施实施以来, 截止到下一次全面检验周期为止, 该类V702人孔法兰没有再出现一次裂纹失效案例, 基本上解决了该类问题, 是该类容器运行的安全性、稳定性得到了很大的提高, 同时也为企业带来了切实的利益, 保护了人民生命财产的安全。
摘要：本文以检验工作中发现的一例人孔法兰失效事故入手, 结合断口检验、金相检验、硬度检测、化学成分分析、断口形貌分析、断口产物分析等方法的分析结果, 再现了裂纹的发生、扩展、断裂失效过程, 并以此为出发点, 提出了此类产品在制造环节、使用管理环节的预防措施, 有效防止了该类事故的再次发生的几率。
关键词：人孔法兰,失效分析
[1] 在用压力容器检验规程[劳锅字 (1990) 3号[S].
[2] 压力容器安全技术监察规程[S].质技监局锅发[1999]154号.
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