吸附脱硫装置Y型三通断裂原因_胡华胜.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 1 7吸附脱硫装置Y型三通断裂原因胡华胜,陈俊仰,邓 聪(广东省特种设备检测研究院,佛山 5 2 8 2 5 1)摘 要:针对某石化企业吸附脱硫装置Y型三通发生断裂,通过宏观观察、化学成分分析、扫描电镜分析、硬度检测和力学性能试验,并结合有限元分析,分析了三通断裂的原因。结果表明:三通的断裂形式为脆性断裂,断口存在显著的应力集中,这是造成三通断裂的根本原因;同时,在长期高温含氢环境作用下,三通出现了明显的材质劣化,硬度和断后伸长率偏低,室温下的冲击功仅为5.0 J,具有缺口敏感性高和脆性显著等缺点。关键词:吸附脱硫装置;三通;应力集中;脆性断裂中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 1 0 4-0 5C a u s e s o f F r a c t u r e d Y-T y p e T e e i n A d s o r p t i o n D e s u l f u r i z a t i o n U n i tHU H u a s h e n g,CHE N J u n y a n g,D E NG C o n g(G u a n g d o n g S p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e,F o s h a n 5 2 8 2 5 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f t h e f r a c t u r e o f Y-t y p e t e e i n a d s o r p t i o n d e s u l f u r i z a t i o n u n i t o f a p e t r o c h e m i c a l e n t e r p r i s e,t h e f r a c t u r e c a u s e s m o d e t h e w e r e a n a l y z e d b y m a c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n,c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s,s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e a n a l y s i s,h a r d n e s s d e t e c t i o n a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t e s t,c o m b i n e d w i t h f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e f r a c t u r e m o d e w a s b r i t t l e f r a c t u r e,a n d t h e r e w a s o b v i o u s s t r e s s c o n c e n t r a t i o n o n t h e f r a c t u r e s u r f a c e,w h i c h w a s t h e f u n d a m e n t a l c a u s e o f t e e f r a c t u r e.M e a n w h i l e u n d e r t h e l o n g-t e r m h i g h t e m p e r a t u r e a n d h y d r o g e n-c o n t a i n i n g e n v i r o n m e n t,t h e t e e e x h i b i t e d o b v i o u s m a t e r i a l d e g r a d a t i o n,l o w h a r d n e s s a n d e l o n g a t i o n a f t e r f r a c t u r e,a n d t h e i m p a c t e n e r g y a t r o o m t e m p e r a t u r e w a s o n l y 5.0 J,w h i c h h a d t h e d i s a d v a n t a g e s o f h i g h n o t c h s e n s i t i v i t y a n d o b v i o u s b r i t t l e n e s s.K e y w o r d s:a d s o r p t i o n d e s u l f u r i z a t i o n u n i t;t e e;s t r e s s c o n c e n t r a t i o n;b r i t t l e f r a c t u r e 压力管道往往服役于高温、高压以及腐蚀性介质等环境中,一旦发生安全事故,将会造成重大的经济损失1-2。三通作为压力管道中不可或缺的元件,受生产工艺影响,极易产生内部缺陷,在主管和支管连接处还会产生应力集中,关于因三通失效而发生的泄漏、燃烧甚至爆炸等安全事故的报道屡见不鲜3-4。吉章红5采用化学成分分析、硬度检测等方法,分析了二甲苯装置吸附塔三通开裂的主要原因是三通成型后没有经正火处理,发生了严重的应变时效收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 4基金项目:国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 科 技 计 划 项 目(2 0 2 1 MK 0 8 7);广 东 省 特 种 设 备 检 测 研 究 院 科 技 项 目(2 0 2 0 C Y 0 2,2 0 2 1 C Y-1-0 1)通信作者:胡华胜(1 9 7 7-),高级工程师,硕士,主要从事特种设备检测及风险评估工作,1 8 9 2 9 5 0 3 4 9 5,4 5 9 5 0 5 5 4 7q q.c o m脆化。刘文生6针对某电厂高压调汽门油管三通断裂造成的机组非计划停机事故进行了分析,发现受交变应力影响,油管三通微观组织从正常的奥氏体转变成形变马氏体,导致其硬度升高、脆性增大。受生产工艺和使用工况的影响,三通的失效原因不尽相同,而且大部分研究仅分析了三通的失效原因,很少从工程实际情况出发,并提出切实可行的预防措施。某石化企业吸附脱硫装置卸剂管线于2 0 1 0年投用,设计压力为4.2 6 MP a,操作压力为3.9 MP a,设计温度为4 7 0,操作温度为4 2 7,介质为吸附剂与氢气,氢分压为1.8 6 MP a。断裂三通为Y型结构,尺 寸 为D N 8 0 mm8 0 mm,材 料 型 号 为A S TM A 1 8 2 F 1 1 C L 1,其安装位置与结构如图1所示。三通发生断裂的位置在三通与1号连接管连接的相贯线处。经现场检查发现,与三通相连接的管道均内衬有陶瓷,而未发现三通有内衬。401第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2图1 断裂三通的安装位置示意F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f i n s t a l l a t i o n p o s i t i o n o f b r o k e n t e e本工作通过一系列的理化检验,并结合有限元软件,分析了某石化企业吸附脱硫装置卸剂管线三通断裂的原因。同时,根据定期检验的实际情况,对同类产品发生类似事故提出了相应的预防措施和建议。1 理化检验与分析1.1 宏观观察由图2可见:断口位于三通与斜交管连接的相贯线处,距离焊缝约2 0 mm,断口表面平齐、粗糙,未见塑性变形,具有脆性断裂的宏观特征7;三通断口表面存在明显的氧化与变色,表面粗糙;裂纹源区、最终断裂区特征清晰可辨,未见疲劳特征7。(a)断裂源区(b)最终断裂区图2 三通断口不同区域的宏观形貌F i g.2 M a c r o-m o r p h o l o g y o f d i f f e r e n t a r e a s o f t e e f r a c t u r e:(a)f r a c t u r e s o u r c e a r e a;(b)f i n a l f r a c t u r e a r e a1.2 化学成分分析依据G B/T 4 3 3 6-2 0 1 6 碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)标准,采用精密直读式光谱仪对断裂三通进行化学成分分析。由表1可见,断裂三通的化学成分基本符合A S TM A 1 8 2/A 1 8 2 M-2 0 1 9S t a n d a r d S p e c i f i c a-t i o n f o r F o r g e d o r R o l l e d A l l o y a n d S t a i n l e s s S t e e l P i p e F l a n g e s,F o r g e d F i t t i n g s,a n d V a l v e s a n d P a r t s f o r H i g h-T e m p e r a t u r e S e r v i c e 标准的技术要求。其中,碳和锰元素含量比标准规定的上限值略高,但仍在G B/T 2 2 2-2 0 0 6 钢的成品化学成分允许偏差 标准规定的范围内。因此,可以认为该断裂三通的化学成分符合要求。表1 断裂三通的化学成分T a b.1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f f r a c t u r e d t e e%项目wCwS iwM nwPwSwC rwM o实测值0.1 70.5 50.6 3 0.0 0 3 0.0 0 3 1.2 50.5 0标准值0.0 50.1 50.5 01.0 00.3 00.6 00.0 4 50.0 3 01.0 01.5 00.4 40.6 51.3 扫描电镜分析在三通裂纹源区截取试样,采用S-3 7 0 0 N型扫描电镜(S EM)对其进行微观形貌观察。由于三通断口覆盖大量白色吸附剂及其氧化物,同时断口在失效后受高温灼烧作用,导致断口表面已被氧化物覆盖。经多次物理及化学清洗后,未能完全清除断口表面所覆盖的物质。由图3可见,三通断口表面粗糙,与其宏观形貌特征较一致,未见较平滑的疲劳裂纹扩展区,未发现有疲劳特征8。图3 三通断口的微观形貌F i g.3 M i c r o-m o r p h o l o g y o f t e e f r a c t u r e1.4 硬度检测依据G B/T 2 3 1.1-2 0 1 8 金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法 标准,对断裂三通以及501胡华胜,等:吸附脱硫装置Y型三通断裂原因1号、2号和3号连接管靠近直角的过渡区进行布氏硬度检测。由表2可见,断裂三通及3根连接管的硬度明显高于A S TM A 1 8 2/A 1 8 2 M-2 0 1 9标准值;此外,1号连接管侧的硬度明显低于2号和3号连接管附近的材料,其原因可能是1号连接管断裂后受高温作用,导致材料的硬度下降。表2 三通和3根连接管的硬度T a b.2 H a r d n e s s o f t e e a n d t h r e e c o n n e c t i n g p i p e sHBW项目1号连接管2号连接管3号连接管三通实测值2 4 42 8 22 9 22 2 3标准值1 2 11 7 41.4 力学性能试验依据G B/T 2 2 8.1-2 0 1 0 金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法 和G B/T 2 2 9-2 0 2 0 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法 标准,在断裂三通上截取试样,并在室温(2 0)下进行拉伸试验和冲击试验。由表3可见:断裂三通的屈服强度和抗拉强度均符合A S TM A 1 8 2/A 1 8 2M-2 0 1 9标准要求;其表3 断裂三通的力学性能T a b.3 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f r a c t u r e d t e e项目屈服强度/MP a抗拉强度/MP a断后伸长率/%断面收缩率/%冲击功/J实测值6 7 57 8 61 4.75 4.25.0标准值2 0 54 1 52 04 52 7断后伸长率为1 4%,在室温下的冲击功仅为5.0 J,这表明三通的抵抗变形的能力差,缺口敏感性高9。1.5 金相检验依据G B/T 1 3 2 9 8-2 0 1 5 金属显微组织检验方法 标准,对连接管与三通的连接部位进行金相检验。由图4可见:1号连接管与三通连接处(断裂部位)的组织主要为铁素体+粒状贝氏体+马氏体,晶粒较细小,晶粒度等级为78级;断口裂纹源区无异常组织缺陷;靠近断口区域存在数量较多的不连续分布的二次裂纹,呈锯齿状扩展,且裂纹主要分布在铁素体内部;2号和3号连接管与三通连接处的金相组织类似,均为保持马氏体位向的回火索氏体,组织较均匀,晶粒较粗大,晶粒度等级为23级,这表明断裂三通存在过热组织缺陷,导致材料的缺口敏感性较高,脆性显著1 0。(a)1号连接管与三通连接处(b)2号连接管与三通连接处(c)3号连接管与三通连接处图4 3根连接管与三通连接处的显微组织F i g.4 M i c r o s t r u c t u r e o f j o i n t b e t w e e n t h r e e c o n n e c t i n g p i p e s(a-c)a n d t e e 对比3处的显微组织发现,其显微组织存在明显差异,这可能与三通断裂后泄漏物料的持续燃烧、加热有关。1号连接管断裂后被拉开一段距离,位于断裂三通喷出流体火焰的高温区域,材料发生了再结晶,引起组织转变,而2号和3号连接管位于火焰的根部,温度相对较低,材料组织未发生明显变化1 1。因此,可以认为2号和3号连接管的组织缺陷在三通断裂前就存在。另外,由于断口周围的微裂纹基本上存在于铁素体内部,而铁素体是在三通断裂后形成的,因此判断该裂纹是在泄漏物料起火受热后形成的1 2。2 有限元分析2.1 模型建立及网格划分采用AN S Y S 1 4.0软件进行有限元分析,对三通及相连管道元件进行实体建模,采用1/2对称模型,分析时采用弹性分析求解。根据实测最小壁厚,基于保守原则。分析过程中的主要参数有:杨氏模量2 0 6 0 0 0 MP a;泊松比0.3;材料密度7 8 5 0 k g/m-3;三通规格4 5 等径;连接管外径Do为1 0 3 mm;内径Di为8 5.7 mm。有限元分析模型及网格划分601胡华胜,等:吸附脱硫装置Y型三通断裂原因情况见图5。图5 三通及连接管的网格划分示意F i g.5 S c h e m a t i c d i a g r a m o f g r i d d i v i s i o n o f t e e a n d c o n n e c t i n g p i p e s2.2 边界条件设置图6为边界条件设置情况。其中,位移边界条件主要是在1号连接管法兰处施加固定约束,以及在对称面施加对称位移约束。力边界条件主要包括:(1)标准重力约束;(2)内壁施加载荷为4.2 6 M P a(设计工况);(3)2号和3号连接管端部施加等效应力载荷Pd,计算值为9.5 6 MP a。等效应力载荷计算公式见式(1)。Pd=PcR2i(R20-R2i)(1)式中:Pc为计算压力,MP a;Ri为连接管端部内径,mm;Ro为连接管端部外径,mm。图6 边界条件设置F i g.6 B o u n d a r y c o n d i t i o n s e t t i n g2.3 应力分析结果由图7可见,应力强度当量最大值出现在三通与1号连接管几何形状突变的相贯区域,最大值为3 9 8.8 1 MP a,该部位既没有设置与连接管连接的变颈,在根部也未设置足够尺寸的过渡圆角,属于直角连接。该结构不属于优化结构,导致连接管与三通的相贯位置存在显著的应力集中,这与高压管件的设计制造原则相悖1 3-1 4。3 结论及建议(1)三通发生了脆性断裂,其根本原因是几何结构未经优化,断裂部位应力集中显著,且三通材料图7 设计工况下三通及连接管的应力强度分布云图F i g.7 N e p h o g r a m o f s t r e s s i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n o f t e e a n d c o n n e c t i n g p i p e l i n e u n d e r d e s i g n c o n d i t i o n硬度高,屈强比高,塑性差,抵抗变形的能力低。(2)三通材料内部存在粗大的过热组织缺陷,且在长期操作温度为4 2 7、介质氢分压为1.8 6 M P a的高温临氢环境作用下,三通出现明显的劣化,硬度和断后伸长率偏低,室温下的冲击功仅为5.0 J。(3)建议对厂区内该类型同批次的三通进行排查,并在定期检验中增加对相关管道元件的硬度检测和金相检验比例。建议在结构设计时,该三通斜交管与三通平面间相贯线上的过渡部位应设置与连接管连接的变颈,在根部设置足够尺寸的过渡圆角,避免三通与连接管之间存在几何突变。同时,在设计选材时应参照N e l s o n曲线,选择在其基础上增加1 42 8 安全裕度的合适材料。参考文献:1 杨燕鹏,罗云,曾珠,等.压力管道社会风险可接受准则研究J.中国安全科学学报,2 0 1 4,2 4(9):1 2 8-1 3 3.2 何仁洋,栾湘东,张庆春,等.压力管道安全完整性技术法规与标准体系研究J.压力容器,2 0 1 2,2 9(7):4 4-5 0.3 李德君,高华,孔祥路,等.2 0钢等径三通失效分析J.金属热处理,2 0 2 2,4 7(2):2 6 2-2 6 6.4 郑文祥,吴跃,刘俊建.给水三通阀阀杆断裂失效分析J.理化检验(物理分册),2 0 1 6,5 2(1 0):7 5 5-7 5 8.5 吉章红.炼油厂二甲苯装置吸附塔格栅用管件开裂原因分析及处置J.压力容器,2 0 2 0,3 7(6):4 8-5 3.6 刘文生.某电厂高压调汽门EH油管断裂原因J.理化检验-物理分册,2 0 2 1,5 7(7):6 1-6 4.7 钟群鹏,赵子华.断口学M.北京:高等教育出版社,2 0 0 6.8 廖景娱.金属构件失效分析M.北京:化学工业出版社,2 0 0 3.9 杨王玥,强文江.材料力学行为M.北京:化学工业出版社,2 0 0 9.1 0 李炯辉.金属材料金相图谱M.北京:机械工业出版社,2 0 0 6.701胡华胜,等:吸附脱硫装置Y型三通断裂原因1 1 S H I J,WAN G J,S ONG W,e t a l.F a i l u r e a n a l y s i s o f f l a n g e s e a l i n g s u r f a c e o f o u t l e t p i p e l i n e o f w a x o i l h y-d r o g e n a t i o n r e a c t o rC/A S ME 2 0 2 0 P r e s s u r e V e s-s e l s&P i p i n g C o n f e r e n c e.S.l.:s.n.,2 0 2 0.1 2 汪凤,范玉然,尹长华,等.1 6M n钢管道工程用三通表面裂纹成因分析J.金属热处理,2 0 1 1,3 6(S 1):1 6 1-1 6 4.1 3 S U B R AMAN I AN C.L e a k a g e o f g a s o i l f r o m s i d e c u t p i p i n g i n c r u d e d i s t i l l a t i o n u n i t o f a p e t r o l e u m r e f i n e r yJ.J o u r n a l o f P i p e l i n e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2 0 2 2,2(1):9 7-1 0 8.1 4 C AY N A,GUT I R R E Z-S O L ANA F,A R R OYO B,e t a l.H y d r o g e n e m b r i t t l e m e n t p r o c e s s e s i n m i c r o a l-l o y e d s t e e l n o t c h e d t e n s i l e s a m p l e sJ.T h e o r e t i c a l a n d A p p l i e d F r a c t u r e M e c h a n i c s,2 0 2 1,1 1 2:1 0 2 8 7 8.(上接第8 2页)2 周利剑,李振宇.管道完整性数据技术发展现状与展望J.油气储运,2 0 1 6,3 5(7):6 9 1-6 9 7.3 林现喜,张克政,陈剑健,等.油气长输管道腐蚀速率计算方法评述J.油气储运,2 0 1 6,3 5(2):1 9 2-1 9 7.4 VANA E I H R,E S L AM I A,E G B EWAN D E A.A r e-v i e w o n p i p e l i n e c o r r o s i o n,i n-l i n e i n s p e c t i o n(I L I),a n d c o r r o s i o n g r o w t h r a t e m o d e l sJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l s a n d P i p i n g,2 0 1 7,1 4 9:4 3-5 4.5 L I S X,YU S R,Z E N G H L,e t a l.P r e d i c t i n g c o r r o-s i o n r e m a i n i n g l i f e o f u n d e r g r o u n d p i p e l i n e s w i t h a m e-c h a n i c a l l y-b a s e d p r o b a b i l i s t i c m o d e lJ.J o u r n a l o f P e-t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2 0 0 9,6 5(3/4):1 6 2-1 6 6.6 李航.统计学习方法M.北京:清华大学出版社,2 0 1 2.7 董红召,许慧鹏,卢滨,等.城市交通道路氮氧化物浓度的C A R T回 归 树 预 测 研 究 J.环 境 科 学 学 报,2 0 1 9,3 9(4):1 0 8 6-1 0 9 4.8 吕利利,颉耀文,黄晓君,等.基于C A R T决策树分类的沙漠化信息提取方法研究J.遥感技术与应用,2 0 1 7,3 2(3):4 9 9-5 0 6.9 田嘉.基于回归树的城市供水管网状态估计研究D.郑州:华北水利水电大学,2 0 1 8:2 1-2 3.1 0 姜晓红,洪险峰,刘争,等.管道内检测数据对比对完整性评价的影响J.油气储运,2 0 1 6,3 5(1):2 8-3 1.1 1 邵卫林,何湋,杨白冰,等.成品油管道内检测清管技术J.油气储运,2 0 1 9,3 8(1 1):1 2 3 2-1 2 3 9.1 2 何湋,邵卫林,邱绪建,等.基于首轮内检测数据的成品油管道内腐蚀分析及对策J.油气储运,2 0 2 0,3 9(8):8 8 5-8 9 1.1 3 S P E N C E R K,KA R I YAWA S AM S,T E T R E AU L T C,e t a l.A p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t o c a l c u l a t i n g c o r r o-s i o n g r o w t h r a t e s b y c o m p a r i n g s u c c e s s i v e I L I r u n s f r o m d i f f e r e n t I L I v e n d o r sC/P r o c e e d i n g s o f 2 0 1 0 8 t h I n t e r n a t i o n a l P i p e l i n e C o n f e r e n c e,S e p t e m b e r 2 7-O c t o b e r 1,2 0 1 0,C a l g a r y,A l b e r t a,C a n a d a.2 0 1 1:4 6 7-4 7 3.1 4 D E S J A R D I N S G.D e t e c t i o n o f a c t i v e c o r r o s i o n f r o m a c o m p a r i s o n o f I L I r u n sC/P r o c e e d i n g s o f 2 0 1 0 8 t h I n t e r n a t i o n a l P i p e l i n e C o n f e r e n c e.C a l g a r y:s.n.,2 0 1 1:5 8 9-5 9 3.1 5 GU B,KAN I A R,S HA RMA S,e t a l.A p p r o a c h t o a s s e s s m e n t o f c o r r o s i o n g r o w t h i n p i p e l i n e sC/P r o c e e d i n g s o f 2 0 0 2 4 t h I n t e r n a t i o n a l P i p e l i n e C o n-f e r e n c e.C a l g a r y:s.n.,2 0 0 9:1 8 3 7-1 8 4 7.1 6 N E S S I M M,D AWS ON J,MOR A R,e t a l.O b t a i n i n g c o r r o s i o n g r o w t h r a t e s f r o m r e p e a t i n-l i n e i n s p e c t i o n r u n s a n d d e a l i n g w i t h t h e m e a s u r e m e n t u n c e r t a i n t i e sC/P r o c e e d i n g s o f 2 0 0 8 7 t h I n t e r n a t i o n a l P i p e l i n e C o n f e r e n c e.C a l g a r y:s.n.,2 0 0 9:5 9 3-6 0 0.腐蚀与防护 征订启事 腐蚀与防护 杂志创刊于1 9 8 0年,为上海市腐蚀科学技术学会的会刊,也是国内创办最早的腐蚀专业杂志之一,由上海材料研究所主办。腐蚀与防护 杂志定价为每期2 0元,全年2 4 0元,各地邮局均可订阅,订阅代号:4-5 9 3,也可向本刊编辑部订阅。为了倡导环保理念,本刊同时推出电子期刊,采用P D F格式用E-M a i l形式发送给读者。全年订阅7 0元,半年4 0元,费用低且比邮局发行快1 0天左右。如需订阅,请您登录www.m a t-t e s t.c o m网站填写订阅信息,并把订阅款项汇入指定银行或邮局,收到款后我们会及时将电子期刊发送给您。联系电话:[phone]E-m a i l:wmm a t-t e s t.c o m联系人:陈哲淼801胡华胜,等:吸附脱硫装置Y型三通断裂原因