安全分析超臨界甲醇清洗罐開裂失效分析喻杰,王立新,李春光2,胡麗莉,陳罡(1.遼寧省機(jī)電工程學(xué)校,遼寧遼陽11104;2.中國(guó)石油遼陽石化公司,遼寧遼陽111003)摘要:針對(duì)超臨界甲醇介質(zhì)高壓清洗罐在使用過程中筒體開裂失效,從設(shè)備設(shè)計(jì)強(qiáng)度、材料性能介質(zhì)環(huán)境等方面進(jìn)行原因分析,確認(rèn)該設(shè)備筒體失效原因是應(yīng)力腐蝕開裂,并從設(shè)計(jì)選材、介質(zhì)加熱方式、使用監(jiān)測(cè)方面釆取改進(jìn)措施,避免類似事故發(fā)生關(guān)鍵詞:超臨界甲醇;筒體;開裂失效;應(yīng)力腐蝕中圖分類號(hào):TH49;TQ053.2;TG172.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):1001-4837(2014)07-0055-04doi:10.3969/j.isn.1001-4837.2014.07.010fracture Failure Analysis on Supercritical methanol washing TankYU Jie, WANG Li-xin, LI Chun-guang, HU Li-li, Chen Gang(1. Liaoning Machinery Electron School, Liaoyang 111004, China; 2. PetroChina Liaoyang PetrochemicalCompany, Liaoyang 111003, China)Abstract: According to the fracture failure on the shell of high pressure supercritical methanol washintank in use process, the causes from the design strength, material properties, environment etc were ana-lyzed. The cause of this shell failure is stress corrosion cracking. The improvement measures such as material selection, medium heating mode, use monitoring were taken to avoid the similar failure accidents.Key words: supercritical methanol; shells; fracture failure; stress corrosion0引言28mm,材料為S30408Ⅳ級(jí)鍛件。筒體由兩段鍛件構(gòu)成,鍛件中間有一道環(huán)焊縫。容器的所有對(duì)某公司過濾芯清洗系統(tǒng),采用超臨界甲醇清接焊接接頭均經(jīng)100%射線檢測(cè)合格,支座在筒洗重油過濾芯,系統(tǒng)間隙操作,每24h升壓、降壓體上部。清洗罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖Ⅰ。清洗罐參數(shù)個(gè)循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)使用第20次時(shí),系統(tǒng)中的一臺(tái)見表不銹鋼高壓清洗罐,在操作壓力下沿筒體軸向開裂,筒體外壁裂紋長(zhǎng)度40mm,超臨界甲醇介質(zhì)泄2開裂清洗罐檢查分析漏,操作人員立即進(jìn)行降壓停運(yùn)處理,沒有造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。以下從設(shè)計(jì)、制造、使用各個(gè)環(huán)2中國(guó)煤化工節(jié),對(duì)失效設(shè)備進(jìn)行綜合分析。CNMHG過程中當(dāng)工作壓力升1UMa的,仕同體中工部的筒體開裂,介質(zhì)外結(jié)構(gòu)及參數(shù)漏,外壁裂紋長(zhǎng)度40mm,清洗罐開裂宏觀照片見清洗罐為立式容器,筒體外徑273mm,壁厚圖2。超臨界甲醇清洗罐開裂失效分析Vol31.No72014情況見圖3,4。圖1清洗罐結(jié)構(gòu)示意圖3筒體氣刨解剖位置照片表1清洗罐參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)工作壓力/MPa設(shè)計(jì)壓力/MPa工作溫度/℃設(shè)計(jì)溫度/℃6789101234567容積/m焊接接頭系數(shù)耐壓試驗(yàn)/MP水壓試驗(yàn)圖4裂紋解剖局部照片操作模式間歇操作(每24h一次)加熱方式筒體外壁電加熱2.2筒體強(qiáng)度校核介質(zhì)超臨界甲醇(易爆、中毒危害)筒體的材料為S30408Ⅳ級(jí)鍛件,常溫抗拉強(qiáng)筒體的材料S30408Ⅳ級(jí)鍛件度520MPa,設(shè)備只使用了20次,對(duì)于常溫抗拉強(qiáng)度小于等于550MPa,循環(huán)次數(shù)不超過1000次時(shí),可以免除疲勞分析計(jì)算21按照規(guī)則設(shè)計(jì)方法進(jìn)行操作條件下筒體的應(yīng)力校核(D。-8)=43.93MPa式中a—工作溫度下筒體的計(jì)算應(yīng)力,MPaP計(jì)算壓力,MPD—筒體外直徑,mm筒體厚度,圖2清洗罐筒體開裂宏觀照片查得高合金鋼鍛件S30408在300℃時(shí)的許用應(yīng)力為114MPa3,而工作溫度下筒體的計(jì)算排空介質(zhì)后對(duì)設(shè)備進(jìn)行外觀檢查,裂紋不明應(yīng)力為43.93MPa,遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力,因此,顯,開裂處筒體無可見變形,實(shí)測(cè)筒體直徑274中國(guó)煤化工土許用應(yīng)力造成的。mm,比筒體名義直徑大1mm;筒體實(shí)測(cè)厚度282CNMHGmm,與筒體名義厚度相同。在筒體裂紋附近按照GB/T231.1-—20094對(duì)裂紋處從筒體外壁向內(nèi)氣刨解剖,隨著氣進(jìn)行硬度檢測(cè),對(duì)開裂的筒體進(jìn)行解剖,在裂紋附刨深度的增加,裂紋長(zhǎng)度超過170mm,裂紋解剖近截取材料拉伸試樣,按照GB/T228.1-20105第31卷第7期壓力容器總第260期規(guī)定進(jìn)行拉伸試驗(yàn),將硬度檢測(cè)和拉伸試驗(yàn)結(jié)果設(shè)備在使用過程中材料力學(xué)性能劣化。與原材料質(zhì)量證明文件提供的材料性能指標(biāo)進(jìn)行2.4無損檢測(cè)對(duì)比,筒體的材料各項(xiàng)性能指標(biāo)見表2。開裂筒體原材料為S30408Ⅳ級(jí)鍛件,材料質(zhì)量證明文件中提供了鍛件超聲檢測(cè)報(bào)告,檢測(cè)結(jié)表2筒體的材料各項(xiàng)性能指標(biāo)果為對(duì)鍛件100%UT檢測(cè),其質(zhì)量符合JBT項(xiàng)目R/R,o 2/HBW4730.3—20056規(guī)定的I級(jí)要求。設(shè)備制造廠對(duì)MPMPa鍛件進(jìn)行了制造前100%UT'超聲復(fù)驗(yàn),復(fù)驗(yàn)結(jié)果開裂筒體試樣值632300150-160為鍛件符合標(biāo)準(zhǔn)6規(guī)定的I級(jí)要求。材料標(biāo)準(zhǔn)值,≥52020535139-19對(duì)開裂后的筒體再次進(jìn)行全面超聲檢測(cè),超質(zhì)量證明文件值56827545160-165聲掃查出筒體內(nèi)表面存在多條縱向裂紋,裂紋都在筒體的上半部。將筒體從中間環(huán)焊縫處切割斷從表2數(shù)據(jù)可見,開裂筒體的材料力學(xué)性能開,對(duì)內(nèi)表面按照J(rèn)BT470.5-20057進(jìn)行滲沒有下降,各項(xiàng)指標(biāo)均高于標(biāo)準(zhǔn)值和供應(yīng)值,因透檢測(cè),筒體內(nèi)壁顯示多條裂紋,最長(zhǎng)裂紋超過此,筒體開裂原因并非材料力學(xué)性能不合格或者500mm,筒體內(nèi)壁滲透檢測(cè)情況見圖5。z10∠684951圖5筒體內(nèi)壁滲透檢測(cè)情況從無損檢測(cè)結(jié)果可以看出,設(shè)備在使用過程中,從筒體內(nèi)壁開裂損傷,裂紋不斷擴(kuò)展到外壁直至設(shè)備泄漏失效。3開裂原因綜合分析3.1裂紋宏觀特點(diǎn)對(duì)其中的一條裂紋端部取樣觀察,見圖6。通過對(duì)清洗罐筒體內(nèi)表面檢測(cè)和裂紋端部取23樣的觀察,清洗罐筒體及裂紋有以下特點(diǎn)(1)筒體幾乎沒有金屬宏觀體積上的塑性變圖烈纊端部照片形,筒體內(nèi)表面未見均勻腐蝕現(xiàn)象中國(guó)煤化工(2)內(nèi)表面存在多條縱向裂紋CNMHG筒體裂紋符合應(yīng)力腐(3)裂紋端部呈樹枝狀裂紋,裂紋尾部較尖;蝕裂紋的宏觀特點(diǎn)(4)裂紋的宏觀斷口形態(tài)呈現(xiàn)脆性斷裂的特3.2裂紋微觀特點(diǎn)征,沒有塑性變形的痕跡。對(duì)裂紋進(jìn)行金相觀察,裂紋微觀形貌以沿晶超臨界甲醇清洗罐開裂失效分析Vol31.No72014斷裂為主,見圖7。蝕條件。文獻(xiàn)[8]中表3,4列出的引起S30408/S30403應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)包括水(高溫)、硫化氫(濕)。應(yīng)力腐蝕破壞的發(fā)生和發(fā)展分為3個(gè)階段(1)金屬表面生成鈍化膜或保護(hù)膜;(2)保護(hù)膜局部破裂,產(chǎn)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕裂縫源(3)裂縫內(nèi)發(fā)生加速腐蝕,在拉應(yīng)力作用下以垂直方向深入金屬內(nèi)部0。綜合以上分析,清洗罐的失效具備應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力和材料與介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕環(huán)境,所以清洗罐的失效原因是應(yīng)力腐蝕開裂。圖7裂紋微觀形貌400×對(duì)策3.3清洗罐筒體應(yīng)力腐蝕開裂特征分析(1)筒體內(nèi)表面具備拉應(yīng)力條件力學(xué)方面的控制措施應(yīng)力腐蝕裂紋始發(fā)于金屬表面,清洗罐內(nèi)表嚴(yán)格控制操作壓力不超過設(shè)計(jì)壓力,控制溫面接觸腐蝕介質(zhì),介質(zhì)操作壓力較高,筒體外直徑差應(yīng)力,因?yàn)闅け跍囟雀叩囊粋?cè)受的溫差應(yīng)力是與內(nèi)直徑之比大于12,屬于厚壁高壓容器。最壓應(yīng)力,溫度低的一側(cè)受的溫差應(yīng)力是拉應(yīng)力,所大應(yīng)力在筒體的內(nèi)表面,由前面的計(jì)算可得,筒體以應(yīng)將原來的外壁電加熱方式改為內(nèi)加熱方式,的最大環(huán)向拉應(yīng)力為43.93MP2,此應(yīng)力值遠(yuǎn)小以減少內(nèi)壁的拉應(yīng)力。于筒體鍛件材料的標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度(205MPa)4.2材料與介質(zhì)環(huán)境方面控制措施承受一定的拉應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的要素之在設(shè)計(jì)選材時(shí),應(yīng)充分考慮連多硫酸的應(yīng)力,清洗罐內(nèi)壁具備了應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力要素。腐蝕環(huán)境,選用06Crl8 NillNb不銹鋼的復(fù)合鋼板(2)清洗罐介質(zhì)環(huán)境制作筒體。由于超臨界甲醇對(duì)分子質(zhì)量較大的物質(zhì)具有4.3設(shè)備使用方面控制措施非常好的溶解性,所以在清洗罐內(nèi)用超臨界甲醇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),增大設(shè)備內(nèi)直徑,以保證設(shè)備內(nèi)做溶劑,對(duì)過濾芯上的重油進(jìn)行溶解清洗。清洗部的表面能夠進(jìn)行全面檢測(cè)。在設(shè)備使用過程過濾芯按照如下程序操作:將過濾芯裝入清洗罐,中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)表面狀況。采用堿液清洗設(shè)清洗罐內(nèi)注入常溫常壓工業(yè)甲醇,封閉清洗罐上備內(nèi)表面,設(shè)備閑置時(shí)封閉,充氮?dú)獗Ｗo(hù)。蓋,用纏繞在清洗罐外壁上的電加熱器加熱,清洗罐內(nèi)設(shè)置熱電偶和壓力傳感器測(cè)量清洗罐內(nèi)的溫5結(jié)語度和壓力,清洗罐內(nèi)溫度和壓力達(dá)到甲醇臨界點(diǎn)以上,保持一定時(shí)間后去除過濾芯上的殘留物,排超臨界甲醇對(duì)大分子量物質(zhì)具有非常好的溶放岀清洗罐內(nèi)流體,打開上蓋取岀過濾芯。根據(jù)解性,依據(jù)超臨界甲醇的特點(diǎn)進(jìn)行過濾芯清洗是文獻(xiàn)[9]中介紹,超臨界條件下,由于甲醇密度的種新技術(shù)。但是,由于超臨界流體對(duì)溫度和壓增加,導(dǎo)致金屬設(shè)備的保護(hù)性氧化物的溶解度增力的變化的敏感性和高溫高壓下取樣的困難性,加,加快了設(shè)備的腐蝕。在過濾芯上重油殘留物討濾芯次數(shù)在增加,溶解到介質(zhì)中中含有水、硫化氫,清洗罐經(jīng)多次使用,清洗下來中國(guó)煤化工操作過程中容器內(nèi)部的重油殘留物附著在罐壁內(nèi)表面,其濃度不斷增CNMHG從設(shè)計(jì)選材、介質(zhì)加熱高,當(dāng)打開設(shè)備上蓋取出過濾芯或設(shè)備閑置時(shí),附方式、使用檢測(cè)方面采取措施,防止設(shè)備發(fā)生應(yīng)力著有介質(zhì)的設(shè)備內(nèi)表面暴露在大氣中,設(shè)備表面腐蝕失效。與大氣中的氧和水分接觸形成連多硫酸的應(yīng)力腐(下轉(zhuǎn)第40頁)爆炸容器法蘭結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析Vol31.No72014結(jié)論sure Vessels and Piping, 2004(81): 67-74[4 SHELL C M, SWIFT R P, MARUSAK N L, et al. Re通過對(duì)爆炸容器法蘭結(jié)構(gòu)在不同情況下的應(yīng)sponse of Steel Vessels and Cavity Liners to Dynamic力、應(yīng)變分布等進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲得以下結(jié)Loading[C].1993:487-495論:法蘭張角是法蘭系統(tǒng)整體強(qiáng)度和剛度的直觀5] JACKSON W I. The Containment of Blast Effects from反映,可作為表示法蘭失效的量化參數(shù);法蘭連接he Detonation of Small High Explosive Charges[RIADA105164,1981結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓內(nèi)側(cè)及螺栓孔外側(cè)靠6] MARCHAND KA, COX P A, POLCYN M A. A Design筒體處;法蘭環(huán)厚度是引起法蘭結(jié)構(gòu)受力變化最Guide and Specification for Small Explosive Contain-敏感的法蘭尺寸,錐頸的寬度和法蘭外徑相對(duì)于ments Structures[ R].SAND94-2255, 1994法蘭環(huán)厚度的變化對(duì)法蘭強(qiáng)度的影響要小得多;[7]王等旺,張德志,李焰,等.爆炸容器內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)氣壓對(duì)稱法蘭和非對(duì)稱法蘭對(duì)單個(gè)法蘭受力影響不實(shí)驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2012,33(12):1493大;螺栓孔周圍的受力情況復(fù)雜,螺栓孔上和螺栓1497孔之間需要分別進(jìn)行測(cè)量;螺栓孔中,螺栓的位置8]王等旺,李捷,王昭等爆炸容器法蘭變形試驗(yàn)與對(duì)孔周圍的受力情況影響很大;螺栓預(yù)緊力對(duì)孔數(shù)值模擬[J].壓力容器,2014,31(4):25-30周圍的受力情況影響也很大。該結(jié)論可為后續(xù)爆9]朱磊螺栓法蘭連接的失效案例分析及有關(guān)進(jìn)展的討論[J].壓力容器,2012,29(2):42-48炸容器法蘭設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供可靠的參考依據(jù)[10]陸曉峰,顧伯勤,涂善東.高溫螺栓法蘭連接硏究進(jìn)展[J].壓力容器,2004,21(12):34-41參考文獻(xiàn)[11]喻健良,閻興清,羅從仁.高溫下法蘭系統(tǒng)溫度分[1 TROTT T, STEVEN R R Confinement Vessel Dynar布及螺栓載荷變化[J.壓力容器,2013,30(11):1alysis[R].LA-13628-Ms,1999687[2 DUFFEY T A, ROMERO C Strain growth in sphericalcted to internal blast loadin收稿日期:2014-04-16修稿日期:2014-06-16rnational Journal of作者簡(jiǎn)介:王等旺(1982-),男,副研究員,主要從事材料2003,28:967-983.輻射力學(xué)和沖擊動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究工作,通信地址:710024[3 ABID M. A parametric study of metal-to-metal con陜西省西安市灞橋區(qū)平峪路28號(hào)西北核技術(shù)研究所,Ect flanges with optimized geometry for safe stress andmailwdw2lss@@163.com(上接第58頁)[8]任凌波任曉雷.壓力容器腐蝕與控制[M].北京參考文獻(xiàn)化學(xué)工業(yè)出版社,2003:59-74[1]NB/T47010-2010,承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛]吳曉宇,呂秀陽超臨界甲醇中的化學(xué)反應(yīng)[J現(xiàn)件[S代化工,2009,29(12):26-302]JB4732-199,.鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)10左景伊,左禹腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)M].北京:化(2005年確認(rèn))[S]學(xué)工業(yè)出版社,1995:33-35]GB150-2011,壓力容器[S]收稿日期:2014-04-09修稿日期:2014-06-304]GBT231.1—2009,金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1作者簡(jiǎn)介:喻杰(1959-),男,高級(jí)講師,主要從事機(jī)電工部分:試驗(yàn)方法[S]程研究與管理工作,通信地址:ll04遼寧省遼陽市繁榮GB/T228.1—2010,金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:中國(guó)煤化工交,E-ml: Yujie@126室溫試驗(yàn)方法[S][6]JBT4730.3-2005,承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分CNMHG通作有:雨利(1o1-),父,教授級(jí)高級(jí)工程師(總工超聲檢測(cè)[S]程師),主要從事壓力容器設(shè)計(jì)、制造技術(shù)工作,通信地[7]JB/T4730.5-2005,承壓設(shè)備無損檢測(cè)第5部分:址:111003遼寧省遼陽市宏偉區(qū)南環(huán)路一號(hào),E-mail滲透檢測(cè)[S]Inhll@126.com