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    CF-62钢制压力容器中的裂纹分析与预防措施

    2018-12-18   来源:   点击数:36次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港本报讯:人们对这类钢的认识在深化。设备安装、制造以及使用中的问题也在暴露,目前这类钢制设备的裂纹屡有发生。本文列举笔者所参与或了解的石油化工和燃气行业中的某些07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR钢制球罐检验及失效分析的实例与同行商榷,以求钢材及制造工艺的完善化,最终达到设备能长周期安全运行的目的。
      
      1. CF-62钢制设备的应力腐蚀
      
      应力腐蚀是指金属材料在某些介质中,由于拉应力的作用造成的一种延迟破裂。其形成必须有一定的金属组织、应力和介质在特定条件下的联合作用。它可能发生在母材上,也可能发生在焊缝上,但因焊接接头粗晶粒的存在以及不可避免的残余应力影响,所以应力腐蚀开裂出现机率高的仍是焊接接头及邻近母材。
      
      调质型CF-62钢的金相组织主要是板条状的回火马氏体、回火索氏体和贝氏体。其所占的比例随板材厚度方向而异,钢板表面的回火马氏体和索氏体占2/3以上,因此,钢材(特别是表层)的强度和硬度较高。
      
      对低合金钢来说,湿H2S环境与含O2及CO2的液态氨环境会引起材料的应力腐蚀开裂。CF-62钢的强度、硬度较高,在含有腐蚀介质的环境中,容易形成应力腐蚀开裂。
      
      例一:天津石化公司石化二厂1000m3丙烯球罐的应力腐蚀开裂。
      
      该球罐于1995年由天津球罐联营工程公司设计、金州石化机械厂压片、鞍山压力容器厂现场组装,组装后未进行整体热处理。其设计压力2.16MPa、主体材质为07MnCrMoVR、规格φ12300×36mm。1996年1月投入使用,1998年5月该球罐因混装H2S严重超标的粗丙烯(H2S含量达上千ppm),在很短时间内上温带纵缝出现穿透性裂纹而泄漏,开罐检查发现球罐内壁有数百条典型的应力腐蚀裂纹。
      
      例二:宁夏化工厂甲醇水分离器的应力腐蚀开裂。
      
      甲醇水分离器是合成氨装置中的重要设备,其设计压力为8.4MPa、操作压力为7.8MPa,操作温度为50~-40℃。介质主要是H2、CO2、CO、CH3OH等。其结构为两段筒节和上、下封头组成,规格为φ1800×44×4300mm,材质为07MnNiCrMoVDR。设备于1994年设计,1995年制造,1996年初投用。
      
      1996年10月2日该设备在正常操作运行时发生突发性爆炸起火。兰石所对其进行了失效分析:虽然裂纹是在下筒节鼓肚区附近具有密集气孔的长度×深度为240×30mm的陈旧断口前沿15mm处启裂,并沿HAZ粗晶区扩展,最终甲醇水分离器因强度不足而撕裂、泄漏并引起化学爆炸。但是在设备鼓肚前钢材已存在严重的应力腐蚀损伤,检验表明:沿纵缝近缝区以鼓肚部位为中心的残片断面内表面存在长约1m、深3~6mm的晶间开裂。这是因介质中的H2S含量严重偏离设计要求(小于50ppm),有时达到1000ppm。
      
      中国钢管信息港本报讯:该球罐的设计压力:1.724Mpa,规格:φ10700×44mm,材质:07MnCrMoVR,工作介质为无水液氨。1998年4月投入运行。1999年3月开罐检验发现:内表面焊缝有3条裂纹,热影响区有1条裂纹,母材有17处裂纹(分布于整个球皮);外表面焊缝有1条裂纹,热影响区有3条裂纹,母材有2处,裂纹主要分布在球罐上半部。经金相和材料检验,内壁的裂纹具有明显的应力腐蚀裂纹特征。
      
      例四:大庆石化公司1500m3丙烯球罐的裂纹
      
      该球罐规格为φ14300×44mm,材质:07MnCrMoVR,1999年4月投入使用。2001年11月进行开罐检验时发现:下极板有三条长30~40mm、深1mm的裂纹,取样管角焊缝内壁有一处75×4mm的表面裂纹(初步判断为应力腐蚀裂纹),打磨至4mm时消除。
      
      总之07MnCrMoVR系列钢由于强度、硬度和应力水平比较高,对应力腐蚀比较敏感。因此对可能发生湿硫化氢环境与含氧及二氧化碳的无水液态氨环境,应避免采用07MnCrMoVR系列钢。
      
      对已投用的CF-62钢制压力容器,只要其使用环境是液化石油气、无水液氨,在用检验时,除采用正常的检验方法外,内壁应采用湿荧光磁粉检测,必要时采用适当的表面涂层的对内壁进行防护。对已开裂的容器,一定要分析裂纹产生的机理,进行安全与寿命评估后,再修复使用。
      
      2. CF-62钢的焊后热处理及再热裂纹
      
      该类钢的含碳量低(C≤0.09%),其高强度是通过钢中加入Cr、Mo、V等碳化物形成元素的弥散强化以及添加B等淬透性强的元素来达到的。在满足高强度的同时又涉及到两个问题:一是焊后整体热处理;二是再热裂纹。
      
      2.1 焊后热处理的最大厚度限制
      
      按我国规范,对于σs≥490Mpa的钢材,一般情况下焊后应进行消除应力处理(SR处理)。而按日本JISB8243-1981《压力容器的构造》中规定:球壳壁厚在32mm以下的焊接接头可不进行SR处理。壁厚在32~38mm,若进行95℃以上的预热也可不作SR处理。日本高压气体安全协会1980年《高强度钢使用规范》也有同样的规定。自上世纪70年代我国引进的数十台CF-62钢球罐(最大厚度达36~38mm)均未进行焊后热处理。
      
      对国产这类钢,尤其是厚度为44~46mm的乙烯、丙烯球罐等工程实施中,仍采取焊后热处理。GB12337《钢制球形储罐》也规定:对厚度大于38mm的07MnCrMoVR系列钢应进行焊后热处理(565±20℃),但这又涉及再热裂纹的问题。
      
      2.2 再热裂纹
      
      CF-62钢含Cr、Mo、V等元素,这些元素以合金碳化物的形式强化基体。但在焊接时,临近熔合线的母材被加热到1300℃左右,钢中的合金碳化物被溶解,焊后来不及析出,而在随后的SR处理过程中,这些合金碳化物在晶内弥散析出,从而强化了晶内,使应力松弛时的蠕变变形集中于HAZ粗晶界。与此同时,片条状的碳化物、硼和杂质元素易偏析于晶界,在拘束力较大的场合下,加速钢材沿晶界开裂,这就是焊后整体热处理过程中产生的再热裂纹。
      
      上世纪80年代中期,CF钢应用研究课题协作组对钢材再热裂纹敏感性进行过试验。
      
      北京钢研总院采用IIW(国际焊接学会)推荐的高温缓慢拉伸法在Gleeble—1500热模拟试验机上,将试样加热到1300℃左右(模拟HAZ粗晶区),然后再经SR处理(试验时采取580℃、600℃、620℃),同时缓慢加载拉伸至断裂,最后测定断面收缩率(Ψ),按A.G.Vinckier的评定标准进行评定。结果表明:国产CF-62钢的再热裂纹敏感性介于“非常敏感”和“敏感”之间。
      
      中国钢管信息港本报讯:通过测定HAZ粗晶区再热裂纹敏感温度以及实际SR温度下的临界应力评定钢材的再热裂纹敏感性。经测定国产CF-62钢的敏感温度为650℃(日本钢材则为630℃),在敏感温度下的临界应力仅为13.8kgf/mm2,结果表明:该类钢属于对再热裂纹敏感的钢种。
      
      上述两种试验均证实:该钢对再热裂纹敏感,若将SR处理温度降低至580℃,则其面缩率和临界断裂应力均大大提高,从而不会产生再热裂纹。一些工程建设就是按这种推荐方法实施SR处理的,但有的球罐按此推荐仍未能避免再热裂纹,实例如下:
      
      开罐检验发现在球罐内、外壁分布200多条表面裂纹,以赤道带环缝居多。大环缝缺陷返修后,对赤道带环缝进行整体热处理。现场经多次焊接修复和几次热处理均不同程度发现了多条在HAZ粗晶区呈沿晶开裂的裂纹(见照片1~2)。最大裂纹长度达到2m,最大深度为20mm。
      
      照片1为A处的沿下熔合线的裂纹全貌,照片1-1为该裂纹A-3处的局部放大。照片2为I处的裂纹全貌,照片2-1、2-2和2-3为该裂纹的放大。从局部放大的金相照片可看出:这些均属典型的再热裂纹。
      
      中国钢管信息港本报讯:按07MnCrMoVR系列钢的壁厚情况,目前球罐实际安装时采用焊后热处理和不热处理两种方式。现场检测与失效分析的一些数据表明:无论是否热处理,这类球罐的残余应力水平都比较高。       如北京燕山石化公司2000m3液化石油气球罐,设计压力:1.77MPa;材质:07MnCrMoVR;规格:ф15700×38mm;焊后进行整体热处理。1998年投产运行。       1999年开罐检验时,发现多处缺陷,对其进行了返修和局部热处理。与此同时进行残余应力测试:下极板焊缝返修前最大残余应力达到0.90σS;返修后最大残余应力达到1.14σS;热处理后最大残余应力达到0.90σS。上极板环焊缝返修前最大残余应力达到0.58σS;返修后最大残余应力达到0.88σS。       福建炼化公司2000m3的G2071、G-2073丙烯球罐,当热处理温度为545℃左右时,北京工业大学对同一部位热处理前后的残余应力测试结果表明:该热处理温度对残余应力分布状况及数值基本无影响,仍保持较高的水平。热处理后残余应力在0.89σS以内,水压试验后残余应力在0.83σS以内。       天津石化公司石化二厂1000m3丙烯球罐组装后未作整体热处理。1998年开罐检验时发现球罐内壁有大量的的应力腐蚀裂纹。我所在其缺陷尚未消除的情况下,对其进行残余应力测试:上、下极板Y型接头和T型接头的最大残余应力达到0.87σS;上、下小环丁字型焊缝的最大残余应力达到0.70σS。       对于3000m3以上的这类钢制天然气球罐,组装后一般不进行整体热处理,残余应力也基本保持在较高的水平。如上海天然气储配站3500m3天然气球罐,壁厚38mm,经测试上极板最大残余应力达到0.97σS,下极板最大残余应力达到0.88σS。北京10000m3天然气球罐,壁厚34mm,1989年建成后进行过残余应力测试,其最大残余应力的平均值达到0.77σS。北京四台5000m3天然气球罐,其最大残余应力达到0.69~0.83σS       目前球罐的制造安装标准规范如GB12337、GB50094等对残余应力水平没有相应的数值要求。但中厚板残余应力水平较高的部位,在使用中产生表面裂纹的可能性很大。
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