安全分析煤氣化裝置在用工業(yè)管道開裂失效分析史進' ,陳秋平2 ,何承厚’,王輝' ,賈國棟,杜晨陽' ,陳彥澤'(1.中國特種設備檢測研究院,北京100013;2. 中國石油化工股份有限公司湖北分公司,湖北武漢443200;3. 中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部,北京100728 )摘要:某公司煤氣化裝置自2006年12月建成投產后變換系統(tǒng)設備,管道就多次發(fā)生焊接接頭開裂。通過對2009年某發(fā)生開裂的奧氏體不銹鋼管段進行失效分析,對開裂部位進行取樣觀察和試驗研究,結果表明:管道焊接接頭的敏化區(qū)發(fā)生了沿晶開裂。關鍵詞:煤氣化;變換氣;管道;開裂;奧氏體不銹鋼中圖分類號:TQ545 ;TQ050.7文獻標識碼:B文章編號:1001 -4837(2010)11 -0053 -06doi: 10.3969/j. issn. 1001 - 4837.2010. 11. 010.Failure Analysis for Cracking on Pipe Weld Joint ofCoal - gasification Plant in ServiceSHI Jin' ,CHEN Qiu - ping2，HE Cheng - hou'，WANG Hui'JIA Guo - dong' ,DU Chen - yang' ,CHEN YAN - ze'( 1. China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100013, China ;2. Hubei Fertil-izer Company of China Petroleum & Chemical Corporation，W uhan 443200, China;3. China Petroleum &Chemical Corporation, Bejjing 100728，China)Abstract:The coal - gasification plant is built in Dec. 2006, and several cracks have been found on theweld joint in operation. By way of failure analysis the research was made for the cracking on the pipeweld joint of the plant in 2009 , and result shows that intercrystal cracks take place on the sensitized zoneof the joint made from austenitic stainless steel.Key words :coal gasification ; shift gas ;pipe ;cracking ;austenitic stainless steel接接頭結構,采用氬弧焊打底, E347手工電弧焊0引言填充，焊前不預熱，焊后加熱到900C保溫近1h進行去應力熱處理,但2009年該管段再次發(fā)生開某公司煤氣化裝置于2006年12月建成投裂,管段見圖1,相關參數見表1。產,采用Shell粉煤氣化技術,投料運行不久變換中國煤化工系統(tǒng)設備,管道就多次發(fā)生焊縫開裂。該公司曾.MHCNMHG對發(fā)生開裂的多條管道進行修復處理,如本次失效分析的管段在2008年發(fā)生開裂后已將原管段對管段進行宏觀檢查,并對管段內壁環(huán)向焊焊縫割除,并添加一- 無縫短管組對,形成雙環(huán)向焊接接頭進 行滲透探傷檢測,見圖2~5。結果表明CPVT煤氣化裝置在用工業(yè)管道開裂失效分析Vol27. Noll 2010縱向接頭環(huán)向接頭:圖4焊接接頭內側 J字口附近放大圖圖1變換氣發(fā)生開裂的管段表1管段主要參數參數數值環(huán)向裂紋主體材質0Cr18Ni9主要規(guī)格/ mm0480x11設計壓力/ MPa4.0設計溫度/C160操作壓力/ MPa3. 462縱向裂紋操作溫度/°C144應力分析0K直縫鋼管標準，GB/T 12771- -2000圖5環(huán)向焊接接 頭內側裂紋局部放大圖介質變換氣(主要成分為H2 ,CO2,H2O,環(huán)向焊接接頭內側幾乎整圈發(fā)生開裂,縱向焊接并含有少量N2 ,CO, Ar,H2S,CH4)接頭位置則未發(fā)現(xiàn)裂紋。大量與環(huán)向焊縫垂直的支裂紋明顯可見，支裂紋之間保持一定間距互相平行排列,支裂紋的長度均比較短,一般不超過10 mm。對管段的超聲波壁厚測定、硬度檢測均未發(fā)現(xiàn)異常,抗拉強度和斷后伸長率符合標準要求,化學成分分析結果見表2,管段母材P元素含量在考慮測量偏差的前提下能滿足標準的要求,焊縫熔敷金屬的化學成分分析結果中Cr,Ni含量均比.相應焊絲或焊條標準的化學成分要求值略低。圖2宏觀檢查發(fā)現(xiàn)焊接接頭內側裂紋A電鏡試樣為環(huán)向裂紋的斷面試樣，即觀察面為--次裂紋的斷面,如圖6所示,約5/6壁厚已裂透,僅剩約不到2 mm的厚度斷開后為新鮮金屬表面。斷口的微觀形貌見圖7,呈現(xiàn)典型沿晶開裂的冰糖塊狀特征,在斷面上可以觀察到明顯環(huán)向接為入的沿晶界二次裂紋。經超聲波清洗后,在高倍顯.中國煤化堂似腐蝕產物的膜片,如THCNMH G口上的S元素含量較B電鏡試樣為縱向裂紋的斷面試樣,即觀察圖3管段焊接接頭內側滲透檢測示意面為二次裂紋的斷面,如圖9所示,斷口的微觀形第27卷第11期玉力容器總第216期表2管段化學成分分析結果%焊接接頭母材外側( E347)內側( H0Cr20Ni0Ti)GB/T靠近焊接接頭|遠離焊接接頭分析項目.GB/T .實測值YB/T12771- 2000區(qū)域母材983- 19955092- 1996(熔煉分析)C≤0. 080. 0620.056≤0. 070.0680.067.Si≤0.90.58≤0.600.78≤1.000.350.36In0.5~2.51.00~2.50 .0.96≤2.001. 561.57P≤0. 0400.0083≤0.0300.0075≤0.0350.0390.040≤0. 0300.00940. 00860. 0300.00110. 0012Ni9.00~11.008. 299.00~ 10.508.778.00~11.008.268.10.Cr18. 00~21.0017. 8018.50~20.5018. 2017. 00~19.0017. 5617. 58Mo≤0.750. 0662u0.20一Ti9xC% ~1.00.013Nb8xC% ~1.00.34山電子國家1圖6 A電鏡試樣示意(a)g”35% WD. 1 D.總0W SpA-SE滿量程742cts光標6.536 (47 cts)圖7 A電鏡試樣斷口局部形貌(b)圖8 A 電鏡試樣斷口局部能譜分析貌見圖10,結果與A電鏡試樣的特征基本一致,呈現(xiàn)典型的沿晶開裂特征。能譜分析的結果也與穿晶開裂的情況,主裂紋從焊接接頭內側的熱影A電鏡試樣類似,斷口上的S元素含量比較豐富，響區(qū)一直延伸至接訴干外壁的焊縫處,且焊接接如圖11所示。中國煤化工寬,應為裂紋的起裂位與電鏡試樣類似,A金相試樣的觀察面為沿MYHCN M H G，寬度最窄的裂尖位于壁厚方向的截面,且與管道環(huán)向焊縫所在平面垂接近外壁表面處的焊縫位置,亦即裂紋止裂于焊直,屬于一-次裂紋。金相觀察結果見圖12,可觀縫。主裂紋部分位置的局部存在晶粒脫落現(xiàn)象，察到開裂均呈明顯沿晶特征,幾乎未觀察到任何形成明顯的黑色斑塊。CPVT煤氣化裝置在用工業(yè)管道開裂失效分析Vol27. Noll 2010圖9 B 電鏡試樣示意(a)期二3000 WD- 18mm B-20w SuA-SEI(b)圖12 A 金相試樣的裂紋形貌圖10B電鏡試樣斷口局部形貌B金相試樣的觀察面為沿壁厚方向的截面,且與管道環(huán)向焊縫所在平面平行,觀察到的裂紋屬于二次裂紋,垂直于上述A金相試樣的一-次裂紋,見圖13(a),13(b) ,從觀察結果來看,縱向裂紋的形貌與A金相試樣中的環(huán)向裂紋幾乎完全-樣,也是沿著晶界開裂,未觀察到任何穿晶開裂的情況,部分晶粒脫落后形成黑斑,在裂紋主干的附近存在不相連的裂紋分支。圖13(c),13(d)20um s給出了晶粒的放大圖,同樣可見晶粒的晶界被腐蝕的情況,甚至可觀察到裂紋尖端的走向,境界上可觀察到大量黑色麻點,這可能是晶界上的析出物或雜質,在圖13(d)的中間位置可明顯觀察到晶界被腐蝕剛剛形成的小裂紋,長度僅約20 pum,5.0-裂紋可能會沿著晶界繼續(xù)擴展,將晶界全部腐蝕掉,當晶粒的所有晶界都被腐蝕掉后就成為單個Fe王2.5的晶粒,和周圍的基體輕松脫開,使材料的有效承載面積隆低..中國煤化工o.oMLse't進行現(xiàn)場測繪,并按測0.004.008.00YHCN M. H G結構如圖14所示,本Energy-keV次失效分析發(fā)現(xiàn)開裂的部位如圖所示，并按現(xiàn)場實際情況設置邊界條件和約束。按照操作條件、圖11B電鏡試樣斷口局部能譜分析持續(xù)載荷作用和熱膨脹載荷作用3種工況進行應.第27卷第11期玉力容器總第216期開裂部位不人圖14有限元模型示意(a)41927(22854840.5s741.2:100 um圖15管線在操作條件 下應力分布位的規(guī)范應力值有限元分析結果為40.154MPa,(b)遠小于該材料的許用應力(在常溫和操作溫度下均為137MPa),只相當于許用應力值的29.3%,說明其載荷造成的應力水平并不高。由于開裂發(fā)生在焊接接頭區(qū)域內,除了載荷作用導致的應力外,該區(qū)域因焊接作業(yè)造成的加熱和冷卻過程可能引起較高的局部殘余應力,為進一步了解殘余應力分布狀況,本次失效分析還10酒對環(huán)向焊接接頭環(huán)向裂紋附近母材進行了殘余應力測定,測定位置見圖16。 測定結果見圖17,顯(c)然裂紋尖端附近的拉伸應力水平明顯高于其他部位,接近于材料在操作溫度下的屈服強度,其值遠高于載荷的作用,應為加工或焊接過程造成。縱焊縫環(huán)焊縫裂紋④③②①.裂紋同環(huán)焊縫二(d)中國煤化工圖13B金相試樣的裂紋形貌MHCNMH G②為裂紋尖端的位置,①為尚未發(fā)生開裂的位置,③和④為力分析(其中管線在操作條件下的校核結果見圖已經發(fā)生開裂的位置15),均滿足標準GB50316--2000《工業(yè)金屬管道圖16 殘余應力的測定位置設計規(guī)范》的要求,其中本次管段失效分析的部(管段展開圖中①②③④).57●CPVT煤氣化裝置在用工業(yè)管道開裂失效分析Vol27. Nol1 2010因斷口多個位置能譜分析均未檢出Cl元素,250且經驗表明一般Cl-造成的應力腐蝕開裂多能觀200察到穿晶特征,兼之對工藝的分析發(fā)現(xiàn),上游取樣150點的介質取樣分析顯示Cl-濃度為0.1 ~0.21000Hppm,故可判斷失效管道內介質的CI濃度也比較低。綜合這些因素判定Cl-應不是本管道發(fā)生開-50②裂的主要動力。-100從應力測試的結果來看,消應力熱處理對于-150降低整體應力水平有一定的作用,但由于裂紋尖0環(huán)向殘余應力,MPa0縱向殘余應力MPa端存在應力集中,一旦裂紋形成,即使是經過消除應力熱處理的焊接接頭在裂紋尖端同樣存在較高圖17殘余應力的測定結果分布圖(負值表示壓應力)的應力水平。與之相對的是,在本次失效分析管段相連原始管道的縱向焊接接頭區(qū)域并沒有發(fā)現(xiàn)2接管開裂原因分析任何開裂,這可能跟其是在工廠制造成型、焊接質量較好、且焊后經過固溶熱處理,不僅降低了應力管段材質為0Cr18Ni9,屬非穩(wěn)定態(tài)的奧氏體水平，同時還避免了材料敏化等因素有關。型不銹鋼(即不含鈦或鈮等穩(wěn)定化元素)，安裝過程進行焊接作業(yè)時,焊接接頭的熱影響區(qū)經歷加3結論 與建議熱和冷卻過程,當在425~815C范圍內停留時，易在晶間形成如Cr2sC。等的碳化鉻化合物。由于0Cr18Ni9材質的管段焊接接頭在焊接及消鉻在晶粒內和晶界的擴散速度差異,易在晶界形應力熱處理過程中發(fā)生敏化,在腐蝕介質的作用成“貧鉻區(qū)”,，貧Cr區(qū)的耐腐蝕能力嚴重降低,即下發(fā)生沿晶應力腐蝕開裂。因連多硫酸造成開裂材料發(fā)生敏化。如前所述,本次失效分析的管段的可能性較大,H2S溶液造成開裂的可能性比較于2008年進行了修復,在返修后對焊縫進行了消小，但不能完全排除;Clr的推動作用不明確,但應應力熱處理,熱處理時焊接接頭溫度低于固溶熱不是主要動力。處理所要求的溫度,故析出的碳化物無法再次溶由于施工現(xiàn)場條件有限,實施焊后固溶熱處解,材料敏化的傾向性也進一步增大川 。理并不現(xiàn)實，而國內其他煤氣化裝置采用本次管段失效分析的結果表明,無論是環(huán)向0Cr18Ni11Ti(321)也有發(fā)生開裂失效的情裂紋還是縱向裂紋,均呈現(xiàn)明顯的沿晶開裂特征。況[2-4),且因無法明確Cl的推動作用,故提出如工藝分析表明操作介質中含有H2S和H2O等成下建議:分,在操作壓力(3.462 MPa)下,介質的實際溫度(1)將本次失效分析管段的管道材質進行升(144 C)高于其飽和蒸汽壓溫度(138 C),故 級,優(yōu)先選擇304L低碳型奧氏體不銹鋼;H20以蒸汽存在,但在開停車期間,溫度降低,則(2)盡可能保持工藝操作平穩(wěn),避免運行過能冷凝為液相水;而在工況不穩(wěn)導致工藝波動時，程中有冷凝水析出,同時停工時要采用有效的防介質溫度可能降低至飽和蒸汽壓溫度以下,析出止連多硫酸應力腐蝕開裂的措施;冷凝水,都能形成H2S溶液。且由于裝置多次開(3)選用合適的焊接工藝,如較低的線能量停車,如果管道內壁保護不善,可能在管道內形成和適當的層間溫度,以降低焊接接頭殘余應力,并連多硫酸(H2SxO,,X=2~6)。H2S溶液和連多注 竟焊接接頭內側表面成型質量;中國煤化工硫酸均可能造成0Cr18Ni9材料敏化區(qū)的應力腐間要加強檢測,以焊接蝕開裂。斷口能譜分析結果表明S元素和O元MHCNM H G,優(yōu)先選擇射線檢測，素含量較為豐富,故可判定連多硫酸造成開裂的無法進行射線檢測時,也可以選擇超聲波探傷,以可能性比較大,但并不能排除H2S溶液造成開裂便在裂紋穿透壁厚前及時發(fā)現(xiàn)并采取針對性措的可能性。施,防止釀成嚴重事故。(下轉第62頁)58●CPVT .氨合成塔外殼內筒裂紋的分析Vol27. No11 2010[2]李玉虎,劉靜,楊占波.甲醇合成塔的焊接制造[J].壓力容器,2007 ,24(12):22 -25.[3]李欣榮.氨合成塔外殼裂紋的檢測與可修復性評估收稿日期:2010 -09 -27修稿日期:2010-11 -01[J].中國特種設備安全,2007,(6) :46 -47.作者簡介:蔣家慧(1964-),男,工程師，主要從事壓力容[4] 朱秋爾.高壓容器設計[M].上海:上?？茖W技術出器、壓力管道檢驗工作,通信地址:252000山東省聊城市版社, 1986.聊堂路15號山東省特種設備檢驗研究院聊城分院，E-[5] 王志文.化工容器設計[M].北京:化學工業(yè)出版mail:jjhl 849@ 163. com。社,2003.(上接第58頁)效分析[J].壓力容器,2004,21(6):38 -42.[4] 張耀豐,陸曉峰,丁毅,等.不銹鋼冷凝管的開裂失.參考文獻:效原因分析[J].壓力容器,2003 ,20(8):47 -49.[1] 肖紀美.不銹鋼的金屬學問題[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006:168 - 177.收稿日期:2010-07 -02.修稿日期:2010-09 -18[2] 陳維風.變換氣管道開裂原因分析[J].大氮肥,作者簡介:史進(1978-),男,工程師,主要從事風險評估2009 ,32(5) :346 - 349.與合于使用評價工作,通信地址:100013北京市中國特種朱曉東，艾志斌,李蓉蓉.1Cr18Ni9Ti不銹鋼封頭失設備檢測研究院, E - mail:datoushijin@ 163. com。歡迎訂閱2011年度《電焊機》雜志《電焊機》雜志被收錄人中文核心期刊中文核心期刊(遴選)數據庫、中國科技論文引文統(tǒng)計源期刊(中國科技核心期刊)、英國《科學文摘》(SA, INSPEC)、俄羅斯《文摘雜志》(AJ, VINTI)、美國《劍橋科技文摘》(CSA,MI)、波蘭《哥白尼索引》(IC)《機械制造文摘焊接分冊》、中國科學引文數據庫、資源系統(tǒng)數學化期刊群。郵發(fā)代號:62- 81,國內刊號:CN51 - 1278/TM,定價:10. 00元/月(月刊),全國各地郵局均可訂閱?！峨姾笝C》雜志(月刊)創(chuàng)刊于1971年,由國家科委批準,成都電焊機研究所主辦,是國內外公開發(fā)行的國家級綜合性應用技術刊物。以報道焊接切割設備技術為基本特色,內容涵蓋焊接切割領域的所有技術和信息,包括焊接切割設備焊接物理、材料、工藝、工程應用、檢驗、質量與標準焊接生產、衛(wèi)生與安全、人才培訓、焊接輔配件、元器件等技術及行業(yè)信息。2007年起,中國電器工業(yè)協(xié)會電焊機分會會刊《焊接界》隨雜志同刊出版發(fā)行。專注于國內外行業(yè)活動、先進技術和廠商動態(tài)信息報道,是電焊機分會發(fā)布信息、報道新聞的唯一指定媒體。本刊讀者面廣泛分布在電焊機制造、汽車、造船航空航天鍋爐與壓力容器、重型機械、金屬結構電子修造等行業(yè)和大專院校研究所、科研機構,她是您進行焊接科研、生產管理、銷售等工作的重要刊物和媒體。地址:四川省成都市二環(huán)路東- -段29號,郵編:610051,電話:028 - 83289008(編輯部) ,028 - 83282678(廣告部),028-83278528(網絡部),028-83267908(發(fā)行部),028-83262878(傳真),電子信箱:bj@toweld.com,edjzs@mail.sc. cninfo. net ,網址: www. toweld. com。歡迎訂閱2011年度《包裝與食品機械》雜志《包裝與食品機械》雜志由中國機械工程學會主辦，是中國機械工程學會包裝與食品工程分會會刊,是中國學術期刊(光盤版)、中國學術期刊綜合評價數據庫刊源期刊.中國期刊網全文數據庫全文收錄期刊中國核心期刊(遴選)數據庫收錄期刊、-數字化期刊群全文上網期刊.首批《CAJ - CD規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀期刊、美國《化學文摘( CA)收錄期刊美國《劍橋科學文摘》(CSA)收錄期刊美國《烏利希期刊指南》( UPD)收錄期刊、波蘭《哥白尼索引》(IC)收錄期刊。.《包裝與食品機械》雜志主要報道國內外包裝機械與食品機械的設計與制造、包裝工藝、包裝工藝設備、包裝材料及食品加工技術、食品生物技術、微生物發(fā)酵工程、食品品質無損檢測、食品機械以及食品包裝、食品貯藏等方面的最新研究成果以及應用技術。本刊為了提高刊物技術水平,打造精品期刊,對于國家省、中國煤化工|的研究論文,將予以優(yōu)先安排發(fā)表。本刊所有來稿不收審稿費、版面費。THCNMH G本刊是雙月刊,大16開,每冊定價10. 00元,全年60. 00元。國內刊號:CN54- 1120/ 1S,國際刊號:ISSN 1005 -1295。郵局訂閱(國內郵發(fā)代號:26- -11;國外發(fā)行代號:BM4791) ,或直接由本刊郵購(另加郵費2元/本)。地址:合肥高新區(qū)天湖路29號,郵編:230088,電話:(0551)5335565,5311880,傳真:5335818,電子信箱:bjzzs@mail.hf. ah. cn,網址:www. pfm114. com。62.