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,胡麗莉,陳罡(1.遼寧省機(jī)電工程學(xué)校,遼寧遼陽(yáng)111004;2.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司,遼寧遼陽(yáng)11003)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)方面采取改進(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;TC172.9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. Petro China Liaoyang PetrochemicalCompany, Liaoyang 111003, China)Abstract: According to the fracture failure on the shell of high pressure supercritical methanol washingtank 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 suchas male-rial selection, medium heating mode, use monitoring were taken to avoid the similar failure accidentsKey words: supercritical methanol; shells; fracture failure; stress corrosion0引言28mm,材料為S30408ⅣN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。凊洗罐的結(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1。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)2.1清洗罐開裂狀況節(jié),對(duì)失效設(shè)備進(jìn)行綜合分析清洗罐在第20次操作過程中,當(dāng)工作壓力升至10MPa時(shí),在筒體中上部的筒體開裂,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。2000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/MP工作溫度/℃300設(shè)計(jì)溫度/℃300678911234567容積焊接接頭系數(shù)耐壓試驗(yàn)/MPa22.5(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2。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3。0′(D,-8)=43.93MP式中a作溫度下筒體的計(jì)算應(yīng)力,MPa計(jì)算壓力,MPaD.筒體外直徑,mmδ——筒體厚度,mm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筒體開裂不是由于強(qiáng)度超過許用應(yīng)力造成的。mm,比筒體名義直徑大lmm;筒體實(shí)測(cè)厚度282.3材料性能檢驗(yàn)mm,與筒體名義厚度相同在筒體裂紋附近按照GB/T231.1-200941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,在裂紋附第31卷第7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JB/T項(xiàng)目R,/R,o2/A/HBW4730320056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6323300150~160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5z10∠644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)n m1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6裂紋端部照片形,筒體內(nèi)表面未見均勻腐蝕現(xiàn)象;(2)內(nèi)表面存在多條縱向裂紋;綜合上述特征,清洗罐筒體裂紋符合應(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)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;)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400×4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。4.1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1.2,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4393MPa,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06C18 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(yǔ)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,由于甲醇密度的一種新技術(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同時(shí)隨著清洗過濾芯次數(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,清洗下來的組分越來越多,難以確定操作過程中容器內(nèi)部的重油殘留物附著在罐壁內(nèi)表面,其濃度不斷增介質(zhì)的確切組分。因此,應(yīng)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)備表面腐蝕失效爆炸容器法蘭結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析Vol31.No72014no-leak conditions[ J. International Journal of Pres4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51 JACKS0NwF. The Containment of Blast Effects fromthe Detonation of Small High Explosive Charges[R]反映,可作為表示法蘭失效的量化參數(shù);法蘭連接ADA105164,1981.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 K A, COX P A, POLCYNMA. A Desi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.高溫螺栓法蘭連接研究進(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 Dynamic布及螺栓載荷變化[J].壓力容器,2013,30(11):1Analysis[ R. LA-13628-MS, 1999: 68[2 DUFFEY T A, ROMERO C Strain growth in sphericalexplosive chambers subjected to internal blast loading收稿日期:2014-04-16修稿日期:2014-06-16[J. International Journal of Impact Engineering作者簡(jiǎn)介:王等旺(1982-),男,副研究員,主要從事材料輻射力學(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,Etact flanges with optimized geometry for safe stress and-mail.wdw2lss(@163.com(上接第58頁(yè))8]任凌波任曉雷.壓力容器腐蝕與控制[M].北京參考文南化學(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9]吳曉宇,呂秀陽(yáng)超臨界甲醇中的化學(xué)反應(yīng)[J現(xiàn)件[S代化工,2009,29(12):26-30[2]JB432-195,鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)101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[3]GB150-2011,壓力容器[S][4]GBT231.1-2009,金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1收稿日期:2014-04-09修稿日期:2014-06-30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:ll104遼寧省遼陽(yáng)市繁榮[5]GB/T228.1—2010,金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分路114號(hào)遼寧省機(jī)電工程學(xué)校,E-mal: Inyujie@126.室溫試驗(yàn)方法[S6]JB/T4730、3-2005,承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分:通訊作者:胡麗莉(1961-),女,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(yáng)市宏偉區(qū)南環(huán)路一號(hào),E-mail