硫磺装置蒸汽管线断裂原因分析及整改措施

2022-08-31谢永志黄余梁玉武

石油和化工设备 2022年8期

谢永志黄余梁玉武

（广东省特种设备检测研究院茂名检测院广东茂名 525000）

2021年11月，中石化某炼化公司炼油三部一根蒸汽管线发生断裂，未造成人员伤亡事故。为有效分析该断裂管的失效原因，我单位组织相关科研人员对硫磺装置蒸汽管线断裂原因进行分析，并提出相应的整改措施。该断裂蒸汽管一段如图1所示。该管线材料为20#钢，规格为DN80*6，介质为中压蒸汽，压力1.0MPa，温度270℃。据车间介绍，该管线是在装置引蒸汽过程发生断裂的。

图1 来样照片

1 试验分析

1.1 宏观观察

图1.1为断管的宏观形貌，断裂口及附近管段发生了塑性变形，已成椭圆状，长轴直径为93mm，短轴直径为80mm，测厚显示壁厚无明显减薄现象（见表1.1）。

表1.1 测厚数据

图1.1 断管宏观形貌

图1.2、图1.3为断口宏观形貌，断口呈45o角，为典型剪切断口，断口可分为3个区域。

图1.2 断口宏观形貌

区域1断口呈45o角，裂纹起源于外壁焊瘤处，裂纹源部位可观察到以裂纹源（焊瘤）为原点的放射纹（见图1.3a），两侧可观察到指向裂纹源的人字纹，符合高应力作用下的韧性断裂的特征，因此推测该区域裂纹为起源于外壁焊瘤的高应力韧性断裂裂纹。

区域2断口呈45o角，裂纹起源于外壁，有多个裂纹源，为多源起裂，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，且断口上有明显的碾压痕（见图1.3b），因此该区域裂纹仍为起源于外壁的韧性断裂裂纹，但从断口上存在碾压痕判断，折断前经受了交变载荷作用。

区域3断口呈45o角，裂纹起源于内壁，有多个裂纹源，为多源起裂，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，且断口上局部有碾压痕迹（见图1.3c），因此该区域裂纹仍为起源于外壁的韧性断裂裂纹，但从断口上存在碾压痕判断，折断前经受了交变载荷作用。

图1.3 断口特征示意图

综合上述宏观观察结果，初步判断该蒸汽管断裂为高应力作用下的韧性剪切断裂。在高应力作用下，裂纹首先起裂于外壁焊瘤处，形成区域1的裂纹，并继续受到反复的高应力作用（交变载荷），使区域2、区域3裂纹萌生并不断扩展，直至完全断裂，管线折断。

1.2 化学成分分析

对来样取样进行化学成分分析，分析结果见表1.2。分析结果显示，管线化学成分符合20#钢相关标准的要求。

表1.2 化学成分分析结果（wt%）

1.3 机械性能及硬度检测

对来样取样进行机械性能及硬度检测，结果见表1.3至表1.5。分析结果显示，管线的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、冲击功均符合标准要求，硬度略高于标准值，分析认为系管线变形产生冷作硬化所致。

表1.3 常温拉伸试验结果

表1.4 常温冲击试验结果

表1.5 硬度检测结果（HB）

1.4 金相分析

在来样远离断口母材和近断口母材取样进行光学金相观察，图1.4为远离断口母材金相组织、图1.5为断口旁边母材金相组织，两个部位组织无明显区别，均为铁素体+珠光体组织，晶粒度10-11级，为20#钢正火组织。

图1.5 断口旁边母材金相组织

图1.4 远离断口母材金相组织

1.5 电镜扫描分析

为了进一步分析断裂的过程和特征，对断口进行了电镜扫描分析，图1.6为电镜扫描部位，图1.7至图1.9为电镜扫描分析结果。

图1.6 电镜扫描部位

图1.7区域1裂纹源区断口的微观形貌，可见裂纹启裂于焊瘤处，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，且断口呈撕裂的韧窝特征。

图1.7 区域裂纹源微观形貌

图1.8为区域2裂纹源区断口的微观形貌，可见裂纹启裂于外表面，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，且断口呈撕裂的韧窝特征。图1.9为区域3裂纹源区断口的微观形貌，可见裂纹启裂于内表面，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，且断口呈撕裂的韧窝特征

图1.8 区域2裂纹源区微观形貌

图1.9 区域3裂纹源区微观形貌

2 分析讨论

2.1 宏观观察表明，断裂口及附近管段发生了塑性变形，已成椭圆状，长轴直径为93mm，短轴直径为80mm，断口呈45o角，为典型剪切断口，断口可分为3个区域。初步判断该蒸汽管断裂为高应力作用下的韧性剪切断裂，在高应力作用下，裂纹首先起裂于外壁焊瘤处，形成区域1的裂纹，并继续受到反复的高应力作用（交变载荷），使区域2、区域3裂纹萌生并不断扩展，直至完全断裂，管线折断。

2.2 化学成分分析结果表明，该管线化学成分符合20#钢相关标准的要求。

2.3 机械性能及硬度检测表明，该管线的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、冲击功均符合标准要求，硬度略高于标准值，分析认为系管线变形产生冷作硬化所致。

2.4 金相组织观察结果表明，材料组织为铁素体+珠光体组织，晶粒度10-11级，为20#钢正火组织。

2.5、电镜扫描分析表明，区域1裂纹启裂于焊瘤处，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，断口呈撕裂的韧窝特征；区域2裂纹启裂于外表面，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，断口呈撕裂的韧窝特征，局部存在碾压痕；区域3裂纹启裂于内表面，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，断口呈撕裂的韧窝和脆性解理断裂特征，高倍下可观察到疲劳辉纹。可见区域1裂纹断口为撕裂的韧窝特征，而区域2、3除了韧窝特征外，还存在碾压痕和疲劳辉纹，进一步说明区域1裂纹为高应力作用下首先发生开裂的裂纹，区域2、3裂纹为受多次交变载荷作用而折断。

综合以上分析，认为该蒸汽管断裂为高应力作用下的韧性剪切断裂。在高应力作用下，裂纹首先起裂于外壁焊瘤处，形成区域1的裂纹，并继续受到反复的高应力作用（交变载荷），使区域2、区域3裂纹萌生并不断扩展，直至完全断裂，管线折断。结合该管线为在引蒸汽过程中发生断裂，推测造成该管线断裂的主要原因为引汽过快，产生水击所致，次要原因是断裂部位存在焊瘤，为裂纹在该部位萌生创造了条件。