李鴻根 許福標(biāo)

（中國石化上海石油化工股份有限公司，中國 上海 200540）

上海石化3900kt/a渣油加氫裝置是目前國內(nèi)最大的渣油加氫裝置，熱高分氣與混合氫高壓換熱器（E-1804）高壓氫氣入口管線（400-P-082002-26CP13R-PP）在管線系統(tǒng)完成焊接、熱處理和無損探傷后，水壓試驗(yàn)的過程中發(fā)生爆裂，這屬于非常罕見且嚴(yán)重的問題。我們?cè)诖_認(rèn)管線施工、檢驗(yàn)、試驗(yàn)程序符合規(guī)范要求，且對(duì)鋼管供貨商提供的七個(gè)規(guī)格材質(zhì)同為ASTM A106的厚壁鋼管現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)復(fù)測(cè)情況良好的同時(shí)，對(duì)開裂管道取樣進(jìn)行詳細(xì)的失效分析，進(jìn)而提出相應(yīng)的解決措施。

1 開裂管材分析

1.1 裂紋形貌

開裂的管道長度約為2.4m，位于上下兩個(gè)彎頭之間。裂紋沿軸向貫穿整段管道，裂紋兩頭分別截止于與上下彎頭連接的環(huán)焊縫處。裂紋在靠近上彎頭處有分叉；在管道中部呈W形，開口較寬，最寬約為16mm；中部以下直到下彎頭部分近似呈直線，并穿過支座的兩個(gè)補(bǔ)強(qiáng)圈的交界處。整個(gè)裂紋的長度約為2.3m，管線開裂形整體貌見圖1。

圖1 開裂管道整體示意圖

1.2 化學(xué)成分

在開裂管道的中部用電火花線切割取樣，進(jìn)行火花源原子發(fā)射光譜分析。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）》，具體檢測(cè)結(jié)果表明管道的化學(xué)成分符合ASTM A106/A106M-10的相關(guān)要求（見表1）。

表1 DN400管道的化學(xué)成分含量

1.3 力學(xué)性能

對(duì)管道裂紋附近的材料在1/2壁厚部位沿環(huán)向取3個(gè)試樣，用Instron萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》，拉伸速率為加載速率為1mm/min，測(cè)試溫度為室溫。從試驗(yàn)結(jié)果來看，鋼管母材的各項(xiàng)拉伸力學(xué)性能指標(biāo)都符合ASTM A106/A106M-10的要求（見表2）。

表2 管道環(huán)（周）向的拉伸力學(xué)性能

1.4 硬度檢測(cè)

沿管道的厚度方向取樣，對(duì)管道的內(nèi)表面、中間和外表面分別用臺(tái)式硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，結(jié)果見表3。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》。從表中數(shù)據(jù)分析:內(nèi)表面、中間和外表面的布氏硬度平均值都小于《上海石化煉油改造工程-美標(biāo)鋼管技術(shù)協(xié)議（SEI）》中 2.8（6）條規(guī)定的 180HB，說明鋼管母材的硬度是符合技術(shù)協(xié)議要求的。

表3 DN400管道布氏硬度測(cè)試 HB

1.5 金相和非金屬夾雜物分析

（1）金相分析。分別在平行于管道表面的縱截面和垂直于管道表面的縱截面上取樣進(jìn)金相分析。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是、GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》。在平行于接管表面的縱截面上進(jìn)行金相分析:組織為鐵素體+珠光體，采用比較法，測(cè)得晶粒度級(jí)別為7級(jí)。同時(shí)，在垂直于接管表面的縱截面上進(jìn)行金相分析:組織為鐵素體+珠光體，采用比較法，測(cè)得晶粒度級(jí)別為7級(jí)，可以認(rèn)為組織的類型和形貌與平行于接管表面的縱截面基本類似。

（2）非金屬夾雜物分析。分別在平行于管道表面的縱截面和垂直于管道表面的縱截面上取樣進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)定。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005《金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》和GB/T 13298-1991《金屬纖維組織的檢驗(yàn)方法》。在平行于接管表面的縱截面上進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)定，硫化物級(jí)別評(píng)為:A2.5；球狀氧化物類級(jí)別為:D1.5；未發(fā)現(xiàn)C、D類非金屬夾雜物。在垂直于接管表面的縱截面上進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)定，硅酸鹽類級(jí)別評(píng)為:C1.5，未發(fā)現(xiàn)A、B、D類非金屬夾雜物。這些檢測(cè)結(jié)果，均符合《上海石化煉油改造工程-美標(biāo)鋼管技術(shù)協(xié)議（SEI）》中的相關(guān)籌款。

2 失效成因研究

2.1 失效起裂點(diǎn)分析

從管道材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能和夾雜物含量來看，各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議的要求，說明材料并沒有問題。因?yàn)榱鸭y的起裂點(diǎn)是失效分析的重點(diǎn)，為了找出管道裂紋的起裂點(diǎn)，需要從宏觀尺度對(duì)斷口全面而細(xì)致的分析，找出裂紋起始的區(qū)域。

（1）從宏觀上看，裂紋沿軸向貫穿整根管道，裂紋兩頭分別截止于與彎頭連接的環(huán)焊縫處。裂紋在靠近上彎頭處有分叉；在管道中部呈W形，開裂的最寬處約為16mm；中部以下直到下彎頭部分近似呈直線，并穿過支座的兩個(gè)補(bǔ)強(qiáng)圈的交界處。

（2）從斷口的宏觀形貌可以看出，管道沿著軸向斷裂，且從上到下斷口上絕大部分區(qū)域都存在人字形和放射形的紋路，肉眼明顯可見。可以從人字紋及放射紋的指向來尋找起裂位置，起裂位置的確定在失效分析中極為重要。對(duì)該管道破裂的整個(gè)斷口進(jìn)行觀察檢查，端口中人字紋及放射紋的形貌。發(fā)現(xiàn)人字紋從兩端均指向其中間偏下的某一部位，即人字紋的箭頭方向均指向支座的兩個(gè)補(bǔ)強(qiáng)圈的交界處。仔細(xì)觀察這兩個(gè)補(bǔ)強(qiáng)圈角焊縫交界處的斷口，可以發(fā)現(xiàn)有從鋼管外壁向內(nèi)壁發(fā)展的放射紋。通過人字紋和放射紋走向可以判斷出:裂紋起始于這兩個(gè)補(bǔ)強(qiáng)圈角焊縫的交界處。

（3）從斷口上可以看到比較平坦的半橢圓形的區(qū)域，是打壓時(shí)逐步斷裂的裂紋起裂區(qū)，這些區(qū)域之外便是放射紋和人字紋區(qū)域，內(nèi)外壁處斷口上有較窄的剪切唇。斷口上反復(fù)觀察未發(fā)現(xiàn)原始缺陷，說明這期斷裂事故并非是由原始宏觀缺陷引起的低應(yīng)力脆斷。但事故仍舊屬于脆性斷裂，因?yàn)檎麄€(gè)管道沒有發(fā)生宏觀可見的塑性鼓脹變形，且事故壓力不高，屬于低應(yīng)力脆斷范疇。所以失效分析工作重點(diǎn)不應(yīng)在尋找鋼管的原始缺陷上，重點(diǎn)要在鑒別鋼管材料的脆性上。

2.2 失效原因分析

（1）起裂位置的特點(diǎn)。板材、容器及管道等構(gòu)件斷裂時(shí)，斷口上常可觀察到人字條紋。人字條紋的收斂方向指向裂源，其反向?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展方向。2m多長的斷口上的人字紋均指向加強(qiáng)板的焊接處，所以該處為裂紋的起裂位置。之所以在管道的中部裂紋張口最大，是由于管道上下都受到端部的束縛而限制的裂縫的張開，管段中部所受的束縛最小。裂紋在中部出現(xiàn)W字型擴(kuò)展，主要和管道的殘余應(yīng)力和材料的薄弱環(huán)節(jié)有關(guān)。該管道在最后正火熱處理后經(jīng)過冷彎矯直處理，這樣產(chǎn)生了殘余應(yīng)力[2-3]，另外裂紋擴(kuò)展總是沿著阻力最小的方向擴(kuò)展，材料的某些部位的薄弱環(huán)節(jié)也影響裂紋的走向。

（2）材料質(zhì)量和焊接。管材的化學(xué)成分、金相組織和夾雜物、拉伸性能和硬度均符合ASTM A106-10的標(biāo)準(zhǔn)要求和訂貨合同要求；焊接處金相組織正常。

（3）起裂失效原因。管線起裂并導(dǎo)致爆破的原因是補(bǔ)強(qiáng)圈搭接的焊接結(jié)構(gòu)所致。一是本例中的補(bǔ)強(qiáng)圈為搭接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在搭接處產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，同時(shí)焊接造成的殘余拉應(yīng)力也很大。搭接造成焊接施工的不方便極易導(dǎo)致咬邊焊接缺陷。二是本例的補(bǔ)強(qiáng)圈焊接后搭接在一起，而且補(bǔ)強(qiáng)圈很厚，這樣就在管道外層形成了“V型缺口”（見圖2），同時(shí)由于焊接補(bǔ)強(qiáng)圈和管線成為一體，相當(dāng)于管線外側(cè)有“V型缺口”，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中。這種補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了嚴(yán)重的拘束效應(yīng)，呈現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)，焊接的殘余拉應(yīng)力也很大，在外力作用下容易產(chǎn)出裂紋[4]。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)圈的示意結(jié)構(gòu)圖

2.3 分析結(jié)果

對(duì)管材的理化性能指標(biāo)、拉伸性能、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌性進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)起裂位置的剖面金相進(jìn)行了檢查，得到如下分析結(jié)果:

（1）管材的原材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)及相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。且S含量僅為質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.01%，比ASTM中A106材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的0.035%低得多。管材中未發(fā)現(xiàn)有折疊類的宏觀缺陷。

（2）在19MPa試驗(yàn)壓力下管子發(fā)生脆性斷裂，管子的最大薄膜應(yīng)力僅為86.9MPa，約為材料屈服強(qiáng)度的35%，屬于低應(yīng)力水平的脆性斷裂。爆管的起裂點(diǎn)位于該垂直管段的下端焊有支撐圈的部位，斷口檢查則有一點(diǎn)爆破前就存在的外表面下的初始裂紋 （尺寸是軸向長62.5mm，沿壁厚深15.1mm），爆管就是從這一初始裂紋在19MPa下發(fā)生快速撕裂擴(kuò)展的。從斷口上可以判斷出這初始裂紋不是原材料的缺陷，而是水壓試驗(yàn)中在低壓下就開始逐步形成的。

（3）從爆裂口附近的金相檢驗(yàn)可以看出焊縫及熱影響區(qū)的金相均正常，熔合線附近的母材未明顯粗大，也未發(fā)現(xiàn)魏氏體組織，說明支承體的加強(qiáng)圈與管段焊接時(shí)的焊接工藝控制較為嚴(yán)格和合理。

（4）形成的初始裂紋并直接導(dǎo)致爆管的基本原因是管子外壁焊接支承圈的焊縫交接處出現(xiàn)了類似V形缺口的結(jié)構(gòu)缺陷。在管子外壁焊縫處造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，焊接后雖然進(jìn)行了熱處理，但此設(shè)計(jì)采用的雙焊接帶補(bǔ)強(qiáng)板GB7型立式支耳管型式，與高壓管道壁厚相同的補(bǔ)強(qiáng)板焊接在母管外壁，且兩補(bǔ)強(qiáng)板幾乎重合，兩條焊縫交接時(shí)造成重復(fù)焊接和產(chǎn)生更大的焊接熱應(yīng)力[5]。因此結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致管子出現(xiàn)開裂及爆管的主要原因。

2.4 方案和措施

（1）解決方案。首先，對(duì)渣油加氫裝置內(nèi)所有CL1500和CL2500等級(jí)管道中，原設(shè)計(jì)雙焊接帶與管道等厚補(bǔ)強(qiáng)板焊接在母管外壁的立式支耳管（GB7型）調(diào)整為雙焊接筋板型（DB-7型）支架。以盡量減少在鋼管上的焊接面積，從而減少焊接的熱應(yīng)力，且能滿足管系載荷及應(yīng)力的需要。

其次，管道支架焊后熱處理要求:奧氏體不銹鋼（僅涉及TP347）管外表面焊接件焊后不做熱處理，抗H2S碳鋼和合金鋼管外表面焊接件應(yīng)做焊后消應(yīng)力熱處理，普通碳鋼管外表面焊接件是否做焊后熱處理，按SH3501-2011等相關(guān)施工規(guī)范執(zhí)行[6]。所有熱處理后須檢測(cè)焊縫及熱影響區(qū)硬度。

還有，現(xiàn)場(chǎng)焊后熱處理手段須確保消除應(yīng)力的效果，保溫措施必須到位，必要時(shí)可采取增加機(jī)械手段消除焊接應(yīng)力[7-9]。

（2）措施實(shí)施。統(tǒng)計(jì)整個(gè)渣油加氫裝置的兩套系列，涉及到反應(yīng)器入口管線、熱高分入、出口管線、高壓換熱器管程出口管線總16處相同結(jié)構(gòu)GB7型支耳，管線尺寸為DN350及DN400兩個(gè)規(guī)格，除高壓換熱器管程出口管線（其中一個(gè)爆裂）材質(zhì)為A106外，其余均為TP347。

因項(xiàng)目進(jìn)行到試壓接近收尾階段，所有焊接、熱處理和無損探傷已結(jié)束，要消除GB7型支耳補(bǔ)強(qiáng)板焊接對(duì)母材的劣化傾向或隱患，必須將支架部位管道切除，特別是TP347管道在現(xiàn)場(chǎng)處理必須采用專用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械加工裝備以在切除管子兩端加工出焊接坡口，更換重新焊接管道、探傷后再按DB-7形式支架重新安裝。

3 結(jié)束語

3.1 本文中失效管道母材化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織均符合規(guī)范和技術(shù)協(xié)議的要求，施工質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，形成的初始裂紋并直接導(dǎo)致爆管的基本原因是管子外壁焊接支承圈的焊縫交接處出現(xiàn)了類似V形缺口的結(jié)構(gòu)缺陷。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致管子出現(xiàn)開裂及爆管的主要原因。項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)杜絕此類結(jié)構(gòu)的支架。

3.2 此管道輸送極度危險(xiǎn)介質(zhì)，且壓力等級(jí)高，是石化行業(yè)中壓力管道等級(jí)最高的SHA等級(jí)[6]，必須執(zhí)行規(guī)范，進(jìn)行施工完成后的強(qiáng)度試驗(yàn)，以檢驗(yàn)材料、施工的質(zhì)量，確保重要裝置的安全運(yùn)行。

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