超临界甲醇清洗罐开裂失效分析

安全分析超临界甲醇清洗罐开裂失效分析喻杰,王立新,李春光,胡丽莉,陈罡(1.辽宁省机电工程学校,辽宁辽阳111004;2.中国石油辽阳石化公司,辽宁辽阳11003)摘要:针对超临界甲醇介质高压清洗罐在使用过程中筒体开裂失效,从设备设计强度、材料性能介质环境等方面进行原因分析,确认该设备筒体失效原因是应力腐蚀开裂,并从设计选材、介质加热方式、使用监测方面采取改进措施,避免类似事故发生。关键词:超临界甲醇;筒体;开裂失效;应力腐蚀中图分类号:TH49;TQ053.2;TC172.9文献标志码:B文章编号: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,材料为S30408ⅣN级锻件。筒体由两段锻件构成,锻件中间有一道环焊缝。容器的所有对某公司过滤芯清洗系统,采用超临界甲醇清接焊接接头均经100%射线检测合格,支座在筒洗重油过滤芯,系统间隙操作,每24h升压、降压体上部。凊洗罐的结构简图见图Ⅰ。清洗罐参数个循环。当系统使用第20次时,系统中的一台见表1。不锈钢高压清洗罐,在操作压力下沿筒体轴向开裂,筒体外壁裂纹长度40mm,超临界甲醇介质泄2开裂清洗罐检查分析漏,操作人员立即进行降压停运处理,没有造成人员和财产损失。以下从设计、制造、使用各个环2.1清洗罐开裂状况节,对失效设备进行综合分析清洗罐在第20次操作过程中,当工作压力升至10MPa时,在筒体中上部的筒体开裂,介质外结构及参数漏,外壁裂纹长度40mm,清洗罐开裂宏观照片见清洗罐为立式容器,筒体外径273mm,壁厚图2超临界甲醇清洗罐开裂失效分析Vol31.No72014情况见图3,4。2000图1清洗罐结构示意图3筒体气刨解剖位置照片表1清洗罐参数项目参数工作压力/MPa设计压力/MP工作温度/℃300设计温度/℃300678911234567容积焊接接头系数耐压试验/MPa22.5(水压试验)图4裂纹解剖局部照片操作模式间歇操作(每24h一次加热方式筒体外壁电加热2.2筒体强度校核介质超临界甲醇(易爆、中毒危害)筒体的材料为S30408Ⅳ级锻件,常温抗拉强筒体的材料S30408Ⅳ级锻件度520MPa,设备只使用了20次,对于常温抗拉强度小于等于550MPa,循环次数不超过1000次时,可以免除疲劳分析计算2。按照规则设计方法进行操作条件下筒体的应力校核3。0′(D,-8)=43.93MP式中a作温度下筒体的计算应力,MPa计算压力,MPaD.筒体外直径,mmδ——筒体厚度,mm图2清洗罐筒体开裂宏观照片查得高合金钢锻件S30408在300℃时的许用应力为114MPa3,而工作温度下筒体的计算排空介质后对设备进行外观检查,裂纹不明应力为43.93MPa,远小于材料许用应力,因此显,开裂处筒体无可见变形,实测筒体直径274筒体开裂不是由于强度超过许用应力造成的。mm,比筒体名义直径大lmm;筒体实测厚度282.3材料性能检验mm,与筒体名义厚度相同在筒体裂纹附近按照GB/T231.1-200941对裂纹处从筒体外壁向内气刨解剖,随着气进行硬度检测,对开裂的筒体进行解剖,在裂纹附第31卷第7期规定进行拉伸试验,将硬度检测和拉伸试验结果设备在使用过程中材料力学性能劣化。与原材料质量证明文件提供的材料性能指标进行2.4无损检测对比,筒体的材料各项性能指标见表2。开裂筒体原材料为S30408Ⅳ级锻件,材料质量证明文件中提供了锻件超声检测报告,检测结表2筒体的材料各项性能指标果为对锻件100%UT检测,其质量符合JB/T项目R,/R,o2/A/HBW4730320056规定的I级要求。设备制造厂对MPMPa锻件进行了制造前100%UT超声复验,复验结果开裂筒体试样值6323300150~160为锻件符合标准6规定的I级要求材料标准值,≥52020535139-19对开裂后的筒体再次进行全面超声检测,超质量证明文件值56827545160-165声扫查出筒体内表面存在多条纵向裂纹,裂纹都在筒体的上半部。将筒体从中间环焊缝处切割断从表2数据可见,开裂筒体的材料力学性能开,对内表面按照JBT470.5-20057进行渗没有下降,各项指标均高于标准值和供应值,因透检测,筒体内壁显示多条裂纹,最长裂纹超过此,筒体开裂原因并非材料力学性能不合格或者500mm,筒体内壁渗透检测情况见图5z10∠644图5筒体内壁渗透检测情况从无损检测结果可以看出,设备在使用过程中,从筒体内壁开裂损伤,裂纹不断扩展到外壁直至设备泄漏失效。3开裂原因综合分析3.1裂纹宏观特点n m1对其中的一条裂纹端部取样观察,见图6。通过对清洗罐筒体内表面检测和裂纹端部取23样的观察,清洗罐筒体及裂纹有以下特点(1)筒体几乎没有金属宏观体积上的塑性变图6裂纹端部照片形,筒体内表面未见均匀腐蚀现象;(2)内表面存在多条纵向裂纹;综合上述特征,清洗罐筒体裂纹符合应力腐(3)裂纹端部呈树枝状裂纹,裂纹尾部较尖;蚀裂纹的宏观特点。(4)裂纹的宏观断口形态呈现脆性断裂的特3.2裂纹微观特点超临界甲醇清洗罐开裂失效分析Vol31.No72014断裂为主,见图7。蚀条件。文献[8]中表3,4列出的引起S30408/S30403应力腐蚀的敏感介质包括水(高温)、硫化氢(湿)应力腐蚀破坏的发生和发展分为3个阶段(1)金属表面生成钝化膜或保护膜;2)保护膜局部破裂,产生点蚀、缝隙腐蚀裂缝源;)裂缝内发生加速腐蚀,在拉应力作用下,以垂直方向深入金属内部0。综合以上分析,清洗罐的失效具备应力腐蚀的拉应力和材料与介质的应力腐蚀环境,所以清洗罐的失效原因是应力腐蚀开裂。图7裂纹微观形貌400×4对策3.3清洗罐筒体应力腐蚀开裂特征分析(1)筒体内表面具备拉应力条件。4.1力学方面的控制措施应力腐蚀裂纹始发于金属表面,清洗罐内表严格控制操作压力不超过设计压力,控制温面接触腐蚀介质,介质操作压力较高,筒体外直径差应力,因为壳壁温度高的一侧受的温差应力是与内直径之比大于1.2,属于厚壁高压容器。最压应力,温度低的一侧受的温差应力是拉应力,所大应力在筒体的内表面,由前面的计算可得,筒体以应将原来的外壁电加热方式改为内加热方式,的最大环向拉应力为4393MPa,此应力值远小以减少内壁的拉应力。于筒体锻件材料的标准屈服强度(205MPa)。4.2材料与介质环境方面控制措施承受一定的拉应力是应力腐蚀产生的要素之在设计选材时,应充分考虑连多硫酸的应力,清洗罐内壁具备了应力腐蚀的拉应力要素。腐蚀环境,选用06C18 NillNb不锈钢的复合钢板(2)清洗罐介质环境。制作筒体。由于超临界甲醇对分子质量较大的物质具有4.3设备使用方面控制措施非常好的溶解性,所以在清洗罐内用超临界甲醇结构设计时,增大设备内直径,以保证设备内做溶剂,对过滤芯上的重油进行溶解清洗。清洗部的表面能够进行全面检测。在设备使用过程过滤芯按照如下程序操作:将过滤芯装入清洗罐,中,实时监测设备内表面状况。采用碱液清洗设清洗罐内注入常温常压工业甲醇,封闭清洗罐上备内表面,设备闲置时封闭,充氮气保护。盖,用缠绕在清洗罐外壁上的电加热器加热,清洗罐内设置热电偶和压力传感器测量清洗罐内的温5结语度和压力,清洗罐内温度和压力达到甲醇临界点以上,保持一定时间后去除过滤芯上的残留物,排超临界甲醇对大分子量物质具有非常好的溶放岀清洗罐内流体,打开上盖取岀过滤芯。根据解性,依据超临界甲醇的特点进行过滤芯清洗是文献[9中介绍,超临界条件下,由于甲醇密度的一种新技术。但是,由于超临界流体对温度和压增加,导致金属设备的保护性氧化物的溶解度增力的变化的敏感性和高温高压下取样的困难性,加,加快了设备的腐蚀。在过滤芯上重油残留物同时随着清洗过滤芯次数在增加,溶解到介质中中含有水、硫化氢,清洗罐经多次使用,清洗下来的组分越来越多,难以确定操作过程中容器内部的重油残留物附着在罐壁内表面,其浓度不断增介质的确切组分。因此,应从设计选材、介质加热高,当打开设备上盖取出过滤芯或设备闲置时,附方式、使用检测方面采取措施,防止设备发生应力着有介质的设备内表面暴露在大气中,设备表面腐蚀失效爆炸容器法兰结构的有限元计算分析Vol31.No72014no-leak conditions[ J. International Journal of Pres4结论sure Vessels and Piping, 2004(81): 67-74[4 SHELL C M, SWIFT R P, MARUSAK N L, et al. Re通过对爆炸容器法兰结构在不同情况下的应sponse of Steel Vessels and Cavity Liners to Dynamic力、应变分布等进行了数值模拟分析,获得以下结Loading[C].1993:487-495论:法兰张角是法兰系统整体强度和刚度的直观51 JACKS0NwF. The Containment of Blast Effects fromthe Detonation of Small High Explosive Charges[R]反映,可作为表示法兰失效的量化参数;法兰连接ADA105164,1981.结构的最大应力出现在螺栓内侧及螺栓孔外侧靠6] MARCHAND K A, COX P A, POLCYNMA. A Desi筒体处;法兰环厚度是引起法兰结构受力变化最Guide and Specification for Small Explosive Contain-敏感的法兰尺寸,锥颈的宽度和法兰外径相对于ments Structures[ R].SAND94-2255, 1994法兰环厚度的变化对法兰强度的影响要小得多;[7]王等旺,张德志,李焰,等.爆炸容器内准静态气压对称法兰和非对称法兰对单个法兰受力影响不实验研究[J].兵工学报,2012,33(12):1493大;螺栓孔周围的受力情况复杂,螺栓孔上和螺栓1497孔之间需要分别进行测量;螺栓孔中,螺栓的位置8]王等旺,李捷,王昭,等.爆炸容器法兰变形试验与对孔周围的受力情况影响很大;螺栓预紧力对孔数值模拟[J].压力容器,2014,31(4):25-30周围的受力情况影响也很大。该结论可为后续爆[9]朱磊.螺栓法兰连接的失效案例分析及有关进展的讨论[J].压力容器,2012,29(2):42-48炸容器法兰设计和试验提供可靠的参考依据。10]陆晓峰,顾伯勤,涂善东.高温螺栓法兰连接研究进展[J].压力容器,2004,21(12):34-41参考文献11]喻健良,阎兴清,罗从仁.高温下法兰系统温度分[1] TROTT T, STEVEN R R Confinement Vessel Dynamic布及螺栓载荷变化[J].压力容器,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作者简介:王等旺(1982-),男,副研究员,主要从事材料辐射力学和冲击动力学相关研究工作,通信地址:710024[3] ABID M. A parametric study of metal-to-metal con陕西省西安市灞桥区平峪路28号西北核技术研究所,Etact flanges with optimized geometry for safe stress and-mail.wdw2lss(@163.com(上接第58页)8]任凌波任晓雷.压力容器腐蚀与控制[M].北京参考文南化学工业出版社,2003:59-74.[1]NB/T47010-2010,承压设备用不锈钢和耐热钢锻9]吴晓宇,吕秀阳超临界甲醇中的化学反应[J现件[S代化工,2009,29(12):26-30[2]JB432-195,钢制压力容器—分析设计标准101左景伊,左禹腐蚀数据与选材手册M].北京:化(2005年确认)[S]学工业出版社,1995:33-35[3]GB150-2011,压力容器[S][4]GBT231.1-2009,金属材料布氏硬度试验第1收稿日期:2014-04-09修稿日期:2014-06-30作者简介:喻杰(1959-),男,高级讲师,主要从事机电工部分:试验方法[S]程研究与管理工作,通信地址:ll104辽宁省辽阳市繁荣[5]GB/T228.1—2010,金属材料拉伸试验第1部分路114号辽宁省机电工程学校,E-mal: Inyujie@126.室温试验方法[S6]JB/T4730、3-2005,承压设备无损检测第3部分:通讯作者:胡丽莉(1961-),女,教授级高级工程师(总工超声检测[S]程师),主要从事压力容器设计、制造技术工作,通信地[7]JB/T4730.5-2005,承压设备无损检测第5部分:址:111003辽宁省辽阳市宏伟区南环路一号,E-mail