煤气化装置在用工业管道开裂失效分析 煤气化装置在用工业管道开裂失效分析

煤气化装置在用工业管道开裂失效分析

  • 期刊名字:压力容器
  • 文件大小:757kb
  • 论文作者:史进,陈秋平,何承厚,王辉,贾国栋,杜晨阳,陈彦泽
  • 作者单位:中国特种设备检测研究院,中国石油化工股份有限公司湖北分公司,中国石油化工股份有限公司化工事业部
  • 更新时间:2020-07-10
  • 下载次数:
论文简介

安全分析煤气化装置在用工业管道开裂失效分析史进' ,陈秋平2 ,何承厚’,王辉' ,贾国栋,杜晨阳' ,陈彦泽'(1.中国特种设备检测研究院,北京100013;2. 中国石油化工股份有限公司湖北分公司,湖北武汉443200;3. 中国石油化工股份有限公司化工事业部,北京100728 )摘要:某公司煤气化装置自2006年12月建成投产后变换系统设备,管道就多次发生焊接接头开裂。通过对2009年某发生开裂的奥氏体不锈钢管段进行失效分析,对开裂部位进行取样观察和试验研究,结果表明:管道焊接接头的敏化区发生了沿晶开裂。关键词:煤气化;变换气;管道;开裂;奥氏体不锈钢中图分类号:TQ545 ;TQ050.7文献标识码:B文章编号: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接接头结构,采用氩弧焊打底, E347手工电弧焊0引言填充,焊前不预热,焊后加热到900C保温近1h进行去应力热处理,但2009年该管段再次发生开某公司煤气化装置于2006年12月建成投裂,管段见图1,相关参数见表1。产,采用Shell粉煤气化技术,投料运行不久变换中国煤化工系统设备,管道就多次发生焊缝开裂。该公司曾.MHCNMHG对发生开裂的多条管道进行修复处理,如本次失效分析的管段在2008年发生开裂后已将原管段对管段进行宏观检查,并对管段内壁环向焊焊缝割除,并添加一- 无缝短管组对,形成双环向焊接接头进 行渗透探伤检测,见图2~5。结果表明CPVT煤气化装置在用工业管道开裂失效分析Vol27. Noll 2010纵向接头环向接头:图4焊接接头内侧 J字口附近放大图图1变换气发生开裂的管段表1管段主要参数参数数值环向裂纹主体材质0Cr18Ni9主要规格/ mm0480x11设计压力/ MPa4.0设计温度/C160操作压力/ MPa3. 462纵向裂纹操作温度/°C144应力分析0K直缝钢管标准,GB/T 12771- -2000图5环向焊接接 头内侧裂纹局部放大图介质变换气(主要成分为H2 ,CO2,H2O,环向焊接接头内侧几乎整圈发生开裂,纵向焊接并含有少量N2 ,CO, Ar,H2S,CH4)接头位置则未发现裂纹。大量与环向焊缝垂直的支裂纹明显可见,支裂纹之间保持一定间距互相平行排列,支裂纹的长度均比较短,一般不超过10 mm。对管段的超声波壁厚测定、硬度检测均未发现异常,抗拉强度和断后伸长率符合标准要求,化学成分分析结果见表2,管段母材P元素含量在考虑测量偏差的前提下能满足标准的要求,焊缝熔敷金属的化学成分分析结果中Cr,Ni含量均比.相应焊丝或焊条标准的化学成分要求值略低。图2宏观检查发现焊接接头内侧裂纹A电镜试样为环向裂纹的断面试样,即观察面为--次裂纹的断面,如图6所示,约5/6壁厚已裂透,仅剩约不到2 mm的厚度断开后为新鲜金属表面。断口的微观形貌见图7,呈现典型沿晶开裂的冰糖块状特征,在断面上可以观察到明显环向接为入的沿晶界二次裂纹。经超声波清洗后,在高倍显.中国煤化堂似腐蚀产物的膜片,如THCNMH G口上的S元素含量较B电镜试样为纵向裂纹的断面试样,即观察图3管段焊接接头内侧渗透检测示意面为二次裂纹的断面,如图9所示,断口的微观形第27卷第11期玉力容器总第216期表2管段化学成分分析结果%焊接接头母材外侧( E347)内侧( H0Cr20Ni0Ti)GB/T靠近焊接接头|远离焊接接头分析项目.GB/T .实测值YB/T12771- 2000区域母材983- 19955092- 1996(熔炼分析)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山电子国家1图6 A电镜试样示意(a)g”35% WD. 1 D.总0W SpA-SE满量程742cts光标6.536 (47 cts)图7 A电镜试样断口局部形貌(b)图8 A 电镜试样断口局部能谱分析貌见图10,结果与A电镜试样的特征基本一致,呈现典型的沿晶开裂特征。能谱分析的结果也与穿晶开裂的情况,主裂纹从焊接接头内侧的热影A电镜试样类似,断口上的S元素含量比较丰富,响区一直延伸至接诉干外壁的焊缝处,且焊接接如图11所示。中国煤化工宽,应为裂纹的起裂位与电镜试样类似,A金相试样的观察面为沿MYHCN M H G,宽度最窄的裂尖位于壁厚方向的截面,且与管道环向焊缝所在平面垂接近外壁表面处的焊缝位置,亦即裂纹止裂于焊直,属于一-次裂纹。金相观察结果见图12,可观缝。主裂纹部分位置的局部存在晶粒脱落现象,察到开裂均呈明显沿晶特征,几乎未观察到任何形成明显的黑色斑块。CPVT煤气化装置在用工业管道开裂失效分析Vol27. Noll 2010图9 B 电镜试样示意(a)期二3000 WD- 18mm B-20w SuA-SEI(b)图12 A 金相试样的裂纹形貌图10B电镜试样断口局部形貌B金相试样的观察面为沿壁厚方向的截面,且与管道环向焊缝所在平面平行,观察到的裂纹属于二次裂纹,垂直于上述A金相试样的一-次裂纹,见图13(a),13(b) ,从观察结果来看,纵向裂纹的形貌与A金相试样中的环向裂纹几乎完全-样,也是沿着晶界开裂,未观察到任何穿晶开裂的情况,部分晶粒脱落后形成黑斑,在裂纹主干的附近存在不相连的裂纹分支。图13(c),13(d)20um s给出了晶粒的放大图,同样可见晶粒的晶界被腐蚀的情况,甚至可观察到裂纹尖端的走向,境界上可观察到大量黑色麻点,这可能是晶界上的析出物或杂质,在图13(d)的中间位置可明显观察到晶界被腐蚀刚刚形成的小裂纹,长度仅约20 pum,5.0-裂纹可能会沿着晶界继续扩展,将晶界全部腐蚀掉,当晶粒的所有晶界都被腐蚀掉后就成为单个Fe王2.5的晶粒,和周围的基体轻松脱开,使材料的有效承载面积隆低..中国煤化工o.oMLse't进行现场测绘,并按测0.004.008.00YHCN M. H G结构如图14所示,本Energy-keV次失效分析发现开裂的部位如图所示,并按现场实际情况设置边界条件和约束。按照操作条件、图11B电镜试样断口局部能谱分析持续载荷作用和热膨胀载荷作用3种工况进行应.第27卷第11期玉力容器总第216期开裂部位不人图14有限元模型示意(a)41927(22854840.5s741.2:100 um图15管线在操作条件 下应力分布位的规范应力值有限元分析结果为40.154MPa,(b)远小于该材料的许用应力(在常温和操作温度下均为137MPa),只相当于许用应力值的29.3%,说明其载荷造成的应力水平并不高。由于开裂发生在焊接接头区域内,除了载荷作用导致的应力外,该区域因焊接作业造成的加热和冷却过程可能引起较高的局部残余应力,为进一步了解残余应力分布状况,本次失效分析还10酒对环向焊接接头环向裂纹附近母材进行了残余应力测定,测定位置见图16。 测定结果见图17,显(c)然裂纹尖端附近的拉伸应力水平明显高于其他部位,接近于材料在操作温度下的屈服强度,其值远高于载荷的作用,应为加工或焊接过程造成。纵焊缝环焊缝裂纹④③②①.裂纹同环焊缝二(d)中国煤化工图13B金相试样的裂纹形貌MHCNMH G②为裂纹尖端的位置,①为尚未发生开裂的位置,③和④为力分析(其中管线在操作条件下的校核结果见图已经发生开裂的位置15),均满足标准GB50316--2000《工业金属管道图16 残余应力的测定位置设计规范》的要求,其中本次管段失效分析的部(管段展开图中①②③④).57●CPVT煤气化装置在用工业管道开裂失效分析Vol27. Nol1 2010因断口多个位置能谱分析均未检出Cl元素,250且经验表明一般Cl-造成的应力腐蚀开裂多能观200察到穿晶特征,兼之对工艺的分析发现,上游取样150点的介质取样分析显示Cl-浓度为0.1 ~0.21000Hppm,故可判断失效管道内介质的CI浓度也比较低。综合这些因素判定Cl-应不是本管道发生开-50②裂的主要动力。-100从应力测试的结果来看,消应力热处理对于-150降低整体应力水平有一定的作用,但由于裂纹尖0环向残余应力,MPa0纵向残余应力MPa端存在应力集中,一旦裂纹形成,即使是经过消除应力热处理的焊接接头在裂纹尖端同样存在较高图17残余应力的测定结果分布图(负值表示压应力)的应力水平。与之相对的是,在本次失效分析管段相连原始管道的纵向焊接接头区域并没有发现2接管开裂原因分析任何开裂,这可能跟其是在工厂制造成型、焊接质量较好、且焊后经过固溶热处理,不仅降低了应力管段材质为0Cr18Ni9,属非稳定态的奥氏体水平,同时还避免了材料敏化等因素有关。型不锈钢(即不含钛或铌等稳定化元素),安装过程进行焊接作业时,焊接接头的热影响区经历加3结论 与建议热和冷却过程,当在425~815C范围内停留时,易在晶间形成如Cr2sC。等的碳化铬化合物。由于0Cr18Ni9材质的管段焊接接头在焊接及消铬在晶粒内和晶界的扩散速度差异,易在晶界形应力热处理过程中发生敏化,在腐蚀介质的作用成“贫铬区”,,贫Cr区的耐腐蚀能力严重降低,即下发生沿晶应力腐蚀开裂。因连多硫酸造成开裂材料发生敏化。如前所述,本次失效分析的管段的可能性较大,H2S溶液造成开裂的可能性比较于2008年进行了修复,在返修后对焊缝进行了消小,但不能完全排除;Clr的推动作用不明确,但应应力热处理,热处理时焊接接头温度低于固溶热不是主要动力。处理所要求的温度,故析出的碳化物无法再次溶由于施工现场条件有限,实施焊后固溶热处解,材料敏化的倾向性也进一步增大川 。理并不现实,而国内其他煤气化装置采用本次管段失效分析的结果表明,无论是环向0Cr18Ni11Ti(321)也有发生开裂失效的情裂纹还是纵向裂纹,均呈现明显的沿晶开裂特征。况[2-4),且因无法明确Cl的推动作用,故提出如工艺分析表明操作介质中含有H2S和H2O等成下建议:分,在操作压力(3.462 MPa)下,介质的实际温度(1)将本次失效分析管段的管道材质进行升(144 C)高于其饱和蒸汽压温度(138 C),故 级,优先选择304L低碳型奥氏体不锈钢;H20以蒸汽存在,但在开停车期间,温度降低,则(2)尽可能保持工艺操作平稳,避免运行过能冷凝为液相水;而在工况不稳导致工艺波动时,程中有冷凝水析出,同时停工时要采用有效的防介质温度可能降低至饱和蒸汽压温度以下,析出止连多硫酸应力腐蚀开裂的措施;冷凝水,都能形成H2S溶液。且由于装置多次开(3)选用合适的焊接工艺,如较低的线能量停车,如果管道内壁保护不善,可能在管道内形成和适当的层间温度,以降低焊接接头残余应力,并连多硫酸(H2SxO,,X=2~6)。H2S溶液和连多注 竟焊接接头内侧表面成型质量;中国煤化工硫酸均可能造成0Cr18Ni9材料敏化区的应力腐间要加强检测,以焊接蚀开裂。断口能谱分析结果表明S元素和O元MHCNM H G,优先选择射线检测,素含量较为丰富,故可判定连多硫酸造成开裂的无法进行射线检测时,也可以选择超声波探伤,以可能性比较大,但并不能排除H2S溶液造成开裂便在裂纹穿透壁厚前及时发现并采取针对性措的可能性。施,防止酿成严重事故。(下转第62页)58●CPVT .氨合成塔外壳内筒裂纹的分析Vol27. No11 2010[2]李玉虎,刘静,杨占波.甲醇合成塔的焊接制造[J].压力容器,2007 ,24(12):22 -25.[3]李欣荣.氨合成塔外壳裂纹的检测与可修复性评估收稿日期:2010 -09 -27修稿日期:2010-11 -01[J].中国特种设备安全,2007,(6) :46 -47.作者简介:蒋家慧(1964-),男,工程师,主要从事压力容[4] 朱秋尔.高压容器设计[M].上海:上海科学技术出器、压力管道检验工作,通信地址:252000山东省聊城市版社, 1986.聊堂路15号山东省特种设备检验研究院聊城分院,E-[5] 王志文.化工容器设计[M].北京:化学工业出版mail:jjhl 849@ 163. com。社,2003.(上接第58页)效分析[J].压力容器,2004,21(6):38 -42.[4] 张耀丰,陆晓峰,丁毅,等.不锈钢冷凝管的开裂失.参考文献:效原因分析[J].压力容器,2003 ,20(8):47 -49.[1] 肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京:冶金工业出版社,2006:168 - 177.收稿日期:2010-07 -02.修稿日期:2010-09 -18[2] 陈维风.变换气管道开裂原因分析[J].大氮肥,作者简介:史进(1978-),男,工程师,主要从事风险评估2009 ,32(5) :346 - 349.与合于使用评价工作,通信地址:100013北京市中国特种朱晓东,艾志斌,李蓉蓉.1Cr18Ni9Ti不锈钢封头失设备检测研究院, E - mail:datoushijin@ 163. com。欢迎订阅2011年度《电焊机》杂志《电焊机》杂志被收录人中文核心期刊中文核心期刊(遴选)数据库、中国科技论文引文统计源期刊(中国科技核心期刊)、英国《科学文摘》(SA, INSPEC)、俄罗斯《文摘杂志》(AJ, VINTI)、美国《剑桥科技文摘》(CSA,MI)、波兰《哥白尼索引》(IC)《机械制造文摘焊接分册》、中国科学引文数据库、资源系统数学化期刊群。邮发代号:62- 81,国内刊号:CN51 - 1278/TM,定价:10. 00元/月(月刊),全国各地邮局均可订阅。《电焊机》杂志(月刊)创刊于1971年,由国家科委批准,成都电焊机研究所主办,是国内外公开发行的国家级综合性应用技术刊物。以报道焊接切割设备技术为基本特色,内容涵盖焊接切割领域的所有技术和信息,包括焊接切割设备焊接物理、材料、工艺、工程应用、检验、质量与标准焊接生产、卫生与安全、人才培训、焊接辅配件、元器件等技术及行业信息。2007年起,中国电器工业协会电焊机分会会刊《焊接界》随杂志同刊出版发行。专注于国内外行业活动、先进技术和厂商动态信息报道,是电焊机分会发布信息、报道新闻的唯一指定媒体。本刊读者面广泛分布在电焊机制造、汽车、造船航空航天锅炉与压力容器、重型机械、金属结构电子修造等行业和大专院校研究所、科研机构,她是您进行焊接科研、生产管理、销售等工作的重要刊物和媒体。地址:四川省成都市二环路东- -段29号,邮编:610051,电话:028 - 83289008(编辑部) ,028 - 83282678(广告部),028-83278528(网络部),028-83267908(发行部),028-83262878(传真),电子信箱:bj@toweld.com,edjzs@mail.sc. cninfo. net ,网址: www. toweld. com。欢迎订阅2011年度《包装与食品机械》杂志《包装与食品机械》杂志由中国机械工程学会主办,是中国机械工程学会包装与食品工程分会会刊,是中国学术期刊(光盘版)、中国学术期刊综合评价数据库刊源期刊.中国期刊网全文数据库全文收录期刊中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊、-数字化期刊群全文上网期刊.首批《CAJ - CD规范》执行优秀期刊、美国《化学文摘( CA)收录期刊美国《剑桥科学文摘》(CSA)收录期刊美国《乌利希期刊指南》( UPD)收录期刊、波兰《哥白尼索引》(IC)收录期刊。.《包装与食品机械》杂志主要报道国内外包装机械与食品机械的设计与制造、包装工艺、包装工艺设备、包装材料及食品加工技术、食品生物技术、微生物发酵工程、食品品质无损检测、食品机械以及食品包装、食品贮藏等方面的最新研究成果以及应用技术。本刊为了提高刊物技术水平,打造精品期刊,对于国家省、中国煤化工|的研究论文,将予以优先安排发表。本刊所有来稿不收审稿费、版面费。THCNMH G本刊是双月刊,大16开,每册定价10. 00元,全年60. 00元。国内刊号:CN54- 1120/ 1S,国际刊号:ISSN 1005 -1295。邮局订阅(国内邮发代号:26- -11;国外发行代号:BM4791) ,或直接由本刊邮购(另加邮费2元/本)。地址:合肥高新区天湖路29号,邮编:230088,电话:(0551)5335565,5311880,传真:5335818,电子信箱:bjzzs@mail.hf. ah. cn,网址:www. pfm114. com。62.

论文截图
版权:如无特殊注明,文章转载自网络,侵权请联系cnmhg168#163.com删除!文件均为网友上传,仅供研究和学习使用,务必24小时内删除。