V702人孔法兰失效分析

摘 要：本文以检验工作中发现的一例人孔法兰失效事故入手，结合断口检验、金相检验、硬度检测、化学成分分析、断口形貌分析、断口产物分析等方法的分析结果，再现了裂纹的发生、扩展、断裂失效过程，并以此为出发点，提出了此类产品在制造环节、使用管理环节的预防措施，有效防止了该类事故的再次发生的几率。

关键词：人孔法兰 失效分析

中图分类号：TQ05017；TQ05019文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0070-01

1 设备简况

洛阳石化工程公司液化石油气碱洗罐V702，1986年有洛阳设计院设计，许昌通用机械厂于次年按JB741-80《钢制压力容器技术条件》制造，100%超声波检测，焊后热处理，1989年投入使用，至今累计投用时间13年。期间开停工次数为7次。最近年检时间为2000年3月，由洛阳锅检所对该罐的结构、几何尺寸、表面进行了外表面检查，对筒体进行了超声测厚；对筒体对接环焊缝进行了磁粉探伤，环焊缝进行了超声波探伤，检验结果判定安全状况等级为2级，2000年3月年度检验后未作防腐处理。

该液化石油气碱洗罐V702的使用参数如下。

设计压力：1.65 MPa；使用压力：1.23 MPa；设计温度：40 ℃；主体材质：16 MnR。

操作介质：液化石油气（C2～C5）、5%～10% NaOH、5PPmH2S、RSH≤100 PPm、总硫≤200PPm。

该液化石油气碱洗罐的人孔法兰为标准件，规格φ480 mm×12 mm，材质16 MnR锻件，按JB585-79-6规范制造。2002年6月发现人孔法兰颈部有泄漏，检查发现在泄漏的部位有一条长约400 mm的裂纹，在停工处理的过程中，裂纹扩展达法兰圆周的2/3。为了查清开裂原因，洛阳石化公司委托中石化兰州设备分析中心做了金相分析、化学成分析、电镜断口形貌分析及断口产物X-RAY能谱微区成分分析。

2 检验分析

2.1 断口宏观检查（如图1）

2.1.1 金相分析和硬度检验及结果

金相检验取样分别在法兰的开裂部位以及法兰的螺栓孔附近切取，金相检验依据相关的金相检验标准、JB4726-94《钢制压力容器法兰》和GB150-1998标准之法兰规定进行，金相显示，法兰组织为铁素体组织+珠光体组织+魏氏体组织，金相显微镜下显示的组织具有明显的方向性并存在MnS夹杂物，夹杂物级别为2级，晶粒度为7级，对开裂不会产生直接的影响。

裂纹附近硬度测试结果，布氏硬度（HBS10/3000/30）148、143，硬度值正常。

2.1.2 化学成分分析

化学成分分析结果显示，该人孔法兰材质符合JB4726-94《钢制压力容器法兰》关于16 MnR锻件制造规范对该类人孔法兰材质的要求。

2.1.3 断口产物分析

将原始断口进行X-RAY能谱微区成分分析，断口腐蚀产物主要为O、Na、Si、S、Mn、Fe等元素，断口上Mn元素较正常值高

3 结果与分析

通过以上检验分析的结果，可以判断该法兰失效开裂呈典型的氢致裂纹开裂的特征，第一开裂具有延时性特征，该容器运行了13年才失效开裂，第二裂纹起源于材料的内部，裂纹多分布在夹杂的地方，第三开裂与容器的介质有关，失效的V702液化气碱洗罐介质中有Na2S，在一定条件下Na2S+2H2O→2NaOH+H2S，也就是说，该人孔法兰有极大倾向产生氢致裂纹。

在湿硫化氢的作用下，非金属夹杂物聚集的地方构成原电池，在它的周围产生电化学腐蚀，在应力作用下形成微裂纹，由于裂纹尖端曲率半径小，产生很大的应力集中，当应力大于金属的屈服强度，在裂纹的尖端形成新的断面，多处断面串接，就构成了我们观察到的阶梯状开裂现象。

通过分析，V702罐开裂失效的原因一是非金属夹杂物得存在，非金属夹杂物及周围在湿硫化氢的环境中构成原电池，形成裂纹源。二是法兰颈部几何形状突变，是应力集中区，所以应力腐蚀开裂易发生在此部位。

4 结论

失效法兰是介质硫化氢引起的应力腐蚀开裂，材料中大量的非金属夹杂物（MnS）是裂纹形成的源头，在裂纹的形成中起着关键的作用。

5 预防措施

5.1 制造环节

在使用工艺中，我们不能改变V702罐的介质，在压力容器制造中，我们可以对制造化工类压力容器的法兰锻件100%超声检测，在法兰颈处几何变形量最大部位，用斜直探头以100%的比例扫查，必要时对法兰颈部以10倍以上宏观金相检测，减少大的非金属夹杂物的聚集区，控制裂纹形成的源头。

5.2 使用环节

（1）加大班次设备巡检力度，要及时清除人孔法兰颈部的灰尘、铁锈等杂物，每次巡检时，要仔细查看颈部是否有液体渗出，做到及时发现。

（2）依据《压力容器定期检验规则》，每要对压力容器进行年度检验，一般有企业自行检验检验时，对法兰颈可疑部位进行PT检测，必要时进行UT检测，用斜直探头对几何加工变形处大的部位扫查。

（3）依据《压力容器定期检验规则》，根据容器的整体安全性能状况，每隔3～5年要停车开罐对压力容器全面检验，在定期检验时，对人孔法兰内表面（与介质接触面），要100%MT或100%PT检测，对检测怀疑部位，进行UT检测，这样我们能及时的发现裂纹源的形成及扩展，排除安全隐患，减少人孔法兰出现裂纹失效事故的几率。为企业生产减少不必要的停车检修。

自从上述措施实施以来，截止到下一次全面检验周期为止，该类V702人孔法兰没有再出现一次裂纹失效案例，基本上解决了该类问题，是该类容器运行的安全性、稳定性得到了很大的提高，同时也为企业带来了切实的利益，保护了人民生命财产的安全。

参考文献

[1]在用压力容器检验规程[劳锅字（1990）3号[S].

[2]压力容器安全技术监察规程[S].质技监局锅发[1999]154号.