許述劍，劉小輝，黃廷勝，王延平

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司安全工程研究院，山東青島 266071;2.中國(guó)石油化工股份有限公司油田事業(yè)部，北京 100728)

0 引言

2009年12月26日，東北某采氣廠集氣處理站天然氣外輸管道的壓力異常升高，技術(shù)人員判斷是隆冬季節(jié)管道內(nèi)積水結(jié)冰而形成了冰堵，便通過(guò)發(fā)球筒向外輸管道注入甲醇來(lái)解堵。當(dāng)作業(yè)人員注入甲醇引天然氣頂甲醇時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)球筒出、入口閥門(mén)凍住，就使用裝置循環(huán)水澆閥門(mén)解凍。澆水解凍一段時(shí)間后，緩慢開(kāi)啟入口閥約1/4開(kāi)度，然而，此時(shí)壓力表卻無(wú)壓力顯示，于是繼續(xù)澆水解凍入口閥門(mén)，約20 min后發(fā)球筒突然發(fā)生了爆裂(此時(shí)出口閥門(mén)未解凍打開(kāi))。

發(fā)球筒破裂情況見(jiàn)圖1。進(jìn)氣接管破裂多塊，且法蘭面變形開(kāi)裂，斷口宏觀形貌平齊、呈顆粒狀，無(wú)明顯塑性變形，符合脆性斷裂特征，見(jiàn)圖1(a);連帶撕裂的筒體破口形貌為V形，斷面呈纖維狀，且筒體外表面有明顯塑性變形，符合韌性斷裂特征，見(jiàn)圖1(b)。另外，筒體和進(jìn)氣接管焊縫氬弧焊打底，單面焊雙面成型，部分角焊縫存在未熔合現(xiàn)象，見(jiàn)圖1(a)。

圖1 發(fā)球筒破裂情況

1 工藝和設(shè)備概況

該集氣處理站于2008年11月投產(chǎn)，是將單井氣站采集的高含CO2(＞20%)天然氣濕氣，經(jīng)過(guò)脫碳、脫水、凈化處理后外輸利用。工藝流程見(jiàn)圖2，正常工況下，凈化后的天然氣干氣(CO2＜3%、水露點(diǎn)＜－15℃)自進(jìn)氣管道通過(guò)跨線流入外輸管道，發(fā)球筒出、入口閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)行清管作業(yè)投用發(fā)球筒時(shí)，則打開(kāi)出、入口閥門(mén)，關(guān)閉跨線閥門(mén)，引入天然氣推動(dòng)清管器。

圖2 發(fā)球筒工藝流程示意

發(fā)球筒規(guī)格型號(hào) DN 500/DN 400 PN 8.0 MPa，基本參數(shù)見(jiàn)表1，屬二類(lèi)壓力容器，設(shè)計(jì)及制造驗(yàn) 收 遵 循 GB 150—1998［1］和 JB/T 4731—2005［2］。筒體及異徑管A，B類(lèi)焊縫氬弧焊打底，單面焊雙面成型，射線檢測(cè)，長(zhǎng)度100%，Ⅱ級(jí)合格。C，D類(lèi)焊縫磁粉檢測(cè)，長(zhǎng)度100%，Ⅰ級(jí)合格。沒(méi)有進(jìn)行焊后消除殘余應(yīng)力的熱處理。設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書(shū)中，材料要求受壓元件用鋼應(yīng)做－20℃沖擊試驗(yàn)(夏比V型缺口)，3個(gè)試樣的平均值≥48 J，單個(gè)試樣的試驗(yàn)值≥34 J;制造與檢驗(yàn)要求焊接接頭應(yīng)做－20℃沖擊試驗(yàn)，3個(gè)試樣的平均值≥34 J，單個(gè)試樣的試驗(yàn)值≥24 J等。

現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，調(diào)閱中控室DCS數(shù)據(jù)及查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)發(fā)球筒爆裂時(shí)最高操作壓力為7.2 MPa，未超出設(shè)計(jì)最高工作壓力7.6 MPa;事故發(fā)生當(dāng)月本地氣候惡劣，環(huán)境溫度最低達(dá)－28℃。

表1 發(fā)球筒基本參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

送檢殘片見(jiàn)圖3，包括發(fā)球筒筒體、接管、法蘭和相關(guān)焊縫。各部件化學(xué)成分分析見(jiàn)表2，筒體試樣實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)的GB 6654—1996［3］中16MnR標(biāo)稱(chēng)化學(xué)成分相符。接管和法蘭試樣實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)的 JB 4726—2000［4］中16MnⅢ鍛標(biāo)稱(chēng)化學(xué)成分不符合，對(duì)比 GB/T 3077—1999［5］，接管材質(zhì)為20CrMnTi鋼，對(duì)比 GB/T 699—1999［6］，法蘭材質(zhì)為25#鋼?？梢?jiàn)接管和法蘭材質(zhì)與設(shè)計(jì)的16MnⅢ鍛不符。

圖3 送檢樣品整體形貌

表2 樣品各部分的化學(xué)成分測(cè)定 %

2.2 顯微組織分析

顯微組織分析表明:筒體、接管和法蘭的基體顯微組織均由鐵素體和珠光體組成;接管與筒體焊接的蓋面焊縫中，多道焊縫一次結(jié)晶組織呈粗大的柱狀晶組織，粗針狀及塊狀的先共析鐵素體沿柱狀晶界分布，粗針狀鐵素體魏氏組織向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)有大量細(xì)針狀鐵素體及少量珠光體組織。多道焊縫二次重熔組織主要是細(xì)小的等軸狀分布的鐵素體、少量的粒狀貝氏體和珠光體。焊縫接管側(cè)熱影響區(qū)可分為過(guò)熱區(qū)(粗晶區(qū))、熱影響重結(jié)晶區(qū)和熱影響不完全重結(jié)晶區(qū)，粗晶區(qū)由少量的低碳馬氏體、塊狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，且晶粒較粗大，見(jiàn)圖4。

2.3 力學(xué)性能分析

接管樣品硬度測(cè)試見(jiàn)圖5、表3。由表3可知，與母材和焊縫相比，熱影響區(qū)各點(diǎn)的硬度值偏高。尤其是蓋面焊接管側(cè)熱影響區(qū)8，9，10三點(diǎn)的硬度值最高，最高達(dá)HV370，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于筒體側(cè)熱影響區(qū)2，3，4三點(diǎn)的硬度值，結(jié)合焊縫顯微組織分析可知，在焊縫的最后一道工序蓋面焊接后，未經(jīng)過(guò)任何熱處理，熱影響區(qū)靠近熔池底部的粗晶區(qū)生成大量塊狀鐵素體和粒狀貝氏體，致使該區(qū)域硬度偏高。

沖擊試驗(yàn)時(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了0℃沖擊試驗(yàn)，考慮接管和法蘭低溫開(kāi)裂，增加了－20℃沖擊試驗(yàn)，見(jiàn)表4。接管及其焊縫熱影響區(qū)－20℃的沖擊功分別為3 J和6.3 J，近似為設(shè)計(jì)要求的1/10，可見(jiàn)接管及其焊縫熱影響區(qū)材料低溫沖擊韌性差。

2.4 焊接性能分析

接管材質(zhì)不符合設(shè)計(jì)16Mn鍛的要求，錯(cuò)誤選用20CrMnTi，根據(jù)碳當(dāng)量公式:

圖4 熱影響區(qū)顯微組織

圖5 接管樣品的硬度測(cè)試示意圖

計(jì)算得 20CrMnTi鋼的碳當(dāng)量 CE(ⅡW)=0.608，而16MnR的碳當(dāng)量CE(ⅡW)=0.408，對(duì)比可知，20CrMnTi的焊接性能比16MnR差很多，采用不當(dāng)?shù)暮附庸に嚥荒鼙ＷC20CrMnTi鋼熱影響區(qū)的性能，焊接熱影響區(qū)容易出現(xiàn)淬硬組織，焊后若沒(méi)有熱處理，熱影響區(qū)的韌性會(huì)很差。16Mn鍛、20CrMnTi及25#鋼都不是低溫用鋼，在標(biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有－20℃的沖擊韌性值。因韌性是強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)，正常熱處理狀態(tài)下20CrMnTi的沖擊韌性值是比較高的。

2.5 斷口分析

斷口宏觀分析見(jiàn)圖6，7，接管與筒體焊縫的接管側(cè)內(nèi)表面存在大量的撕裂棱，SEM分析見(jiàn)圖8，微觀形貌為具有明顯解理臺(tái)階的解理斷口，在接管一側(cè)的斷口形貌符合脆性斷裂特征。結(jié)合焊縫顯微組織分析、硬度測(cè)定及焊接性能分析可知，接管側(cè)外表面焊縫熱影響區(qū)過(guò)熱粗晶區(qū)晶粒粗大，焊后未經(jīng)任何回火處理，致使硬度偏高，產(chǎn)生脆化，在筒內(nèi)高壓力作用下，粗晶區(qū)承受較大拉應(yīng)力，產(chǎn)生微裂紋，裂紋起源于此。

表3 接管樣品硬度測(cè)量壓點(diǎn)位置與檢測(cè)值

表4 樣品沖擊性能測(cè)試(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB/T 229)

圖6 接管與筒體焊縫斷口的宏觀形貌

圖7 接管上遠(yuǎn)離焊縫的斷口形貌

圖8 接管樣品斷口形貌SEM照片

3 結(jié)論

發(fā)球筒爆裂失效是由于接管材料發(fā)生低溫低應(yīng)力脆性斷裂所致。接管材料錯(cuò)誤使用20CrMnTi代替了設(shè)計(jì)16MnⅢ鍛，卻仍采用原16MnR和16MnⅢ鍛的焊接工藝，碳當(dāng)量對(duì)比表明，20CrMnTi鋼的焊接性能比16MnR差，接管與筒體焊接后未熱處理，使得焊縫接管側(cè)熱影響區(qū)硬度高，從而產(chǎn)生表層蓋面焊熱影響區(qū)過(guò)熱粗晶區(qū)脆化，在筒內(nèi)高壓力作用下，粗晶區(qū)承受較大拉應(yīng)力，產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)，焊縫接管側(cè)熱影響區(qū)及接管母材20CrMnTi的低溫韌性差，致使裂紋快速擴(kuò)展，發(fā)生瞬間脆性斷裂。在內(nèi)部氣體高應(yīng)力作用及強(qiáng)大的爆炸力作用下，裂紋沿筒體材料的軸向迅速擴(kuò)展，發(fā)生筒體開(kāi)裂，最終導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備失效。

［1］GB 150—1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］JB/T 4731—2005，鋼制臥式容器［S］.

［3］GB 6654—1996，壓力容器用鋼板［S］.

［4］JB 4726—2000，壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件［S］.

［5］GB/T 3077—1999，合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件［S］.

［6］GB/T 699—1999，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼［S］.