韓輝 王祥 張禮敬
(1江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,江蘇 南京 210042;2南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院,江蘇 南京210009)
高溫蒸汽管線廣泛應(yīng)用于石化、熱電行業(yè)的加熱爐、裂解爐等設(shè)備上,是主要的高溫部件之一,其安全運行是裝置可持續(xù)運行的重要保證。目前,國內(nèi)多數(shù)老舊鍋爐爐管采用的材料為20#碳鋼(以下簡稱20g),其使用溫度為280-350℃,最高內(nèi)壓為15.5-18MPa[1]。在長期運行過程中,伴隨運行溫度、壓力的波動,蒸汽管線的安全可靠性逐漸降低,管材微觀組織會隨運行時間的增加而劣化,通常會產(chǎn)生碳化物球化、珠光體分散、蠕變損傷等情況。如不能及時對管道進行缺陷檢測,可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生,若盲目更換管道可能會造成不必要的經(jīng)濟浪費。因此,做到安全與經(jīng)濟統(tǒng)籌兼顧具有重大意義。
本文以南京某烯烴廠裂解爐對流段蒸汽主管爆裂事故著手,對20g蒸汽主管的爆裂原因進行安全性分析,并對其余同工況的蒸汽管道繼續(xù)服役的安全性展開研究,從而為其降低事故風(fēng)險和經(jīng)濟損失,科學(xué)指導(dǎo)管道維修和安全生產(chǎn)管理提供借鑒。
裂解爐對流段蒸汽主管內(nèi)輸送的是用于稀釋裂解原料的高溫水蒸汽。該蒸汽主管材料為20g,規(guī)格為Φ165mm×14mm,管內(nèi)蒸汽溫度為320℃,壓力14MPa,到發(fā)生對流段蒸汽主管爆裂而緊急停爐時,已經(jīng)累技術(shù)運行達130000h。
1.1 已爆裂蒸汽管道
1.2 管道流向及爆裂區(qū)示意圖
圖1 20g蒸汽主管
經(jīng)現(xiàn)場勘察,如圖1a所示,爆管破口粗脹,張口呈喇叭狀,破口長約1m,寬約0.5m;開裂兩端呈典型的撕裂狀;破口邊緣銳利,有明顯減薄,呈刀刃型斷口;破口內(nèi)壁光滑。管道內(nèi)高溫蒸汽流向以及爆裂區(qū)的相對位置如圖1b所示。同時,該裂解爐還有同樣工況下的5根蒸汽總管。
為了分析該工況下的20g蒸汽主管爆裂失效的原因以及其余同工況的蒸汽管道繼續(xù)服役的安全性,本文選擇在壁厚減薄處及開裂邊緣撕裂處分別取樣,分別進行材料組織結(jié)構(gòu)分析及力學(xué)性能研究。
目前,國內(nèi)仍將珠光體球化等級作為高溫主蒸汽管道判廢依據(jù)。本文采用金相實驗對爆裂爐管的組織結(jié)構(gòu)進行分析,判定爆裂爐管的球化等級。
2.1 實驗取樣
如圖2a所示,實驗材料在壁厚減薄處(區(qū)域A)和開裂邊緣撕裂處(區(qū)域B)取樣。如圖2b所示,在開裂處未見到明顯的腐蝕現(xiàn)象,可以排除局部腐蝕導(dǎo)致蒸汽主管壁厚減薄的因素。
圖2 20g蒸汽主管爆裂斷口形貌
2.2 測試分析
2.2.1 20g基本情況介紹
20g是蒸汽管道廣泛應(yīng)用的一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼,其正常金相組織是鐵素體和片狀珠光體,從而獲得良好的力學(xué)性能。但是,片狀珠光體是一種不穩(wěn)定的組織,其表面積大,界面能高,在長期高溫下工作時,原子活動力增強,擴散速度增加,片狀滲碳體便逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹闋?,再積聚成大球團,產(chǎn)生珠光體球化,從而使材料的屈服點、抗拉強度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降。同時,由于球狀珠光體對位錯運動的阻礙作用較片狀珠光體小,所以會產(chǎn)生大量的位錯啟動源[2]。
2.2.2 爆裂管道的金相組織
在材料化學(xué)成分一定的前提下,其力學(xué)性能主要取決于微觀組織的變化。對區(qū)域A和B處的取樣進行化學(xué)成分檢測,其含量均符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB5310-2008)規(guī)定。
圖3 取樣區(qū)域B顯微組織
在區(qū)域B處取樣,進行金相分析。由圖3可知,裂解爐對流段20g蒸汽主管在14MPa,320℃條件下運行130000小時后顯微組織發(fā)生退化,珠光體不再以層片狀的鐵素體和滲碳體交錯存在,而是珠光體發(fā)生了輕度球化,珠光體區(qū)域中的碳化物開始分散,并逐漸向晶界擴散,珠光體形態(tài)尚明顯。珠光體球化等級為3級,考慮安全裕量,判定為3.5級球化。
圖4 取樣區(qū)域A減薄處顯微組織
圖5 取樣區(qū)域A較厚處顯微組織
在區(qū)域A處取樣,進行金相分析。由圖4和圖5鼓脹處的顯微形貌可以看出,爐管材料在塑性變形過程中,鐵素體和珠光體均發(fā)生了嚴重的變形,從母材中的不規(guī)則形狀變成了鏈條狀,并具有向晶界聚集的傾向。鐵素體和珠光體的拉伸方向與其受力方向一致。同時,破裂處的珠光體也有明顯的球化現(xiàn)象。
可以得出:按照《碳鋼石墨化檢驗及評級標準》(DL/T786-2001),該20g爐管呈3.5級球化,屈服強度指標下降7.5-12.5%;管道在長期使用中產(chǎn)生了局部塑性變形,致使其承壓能力下降。
根據(jù)《金屬拉伸實驗》(GB/T228-2010)對爆裂爐管在圖2a中的A區(qū)域處取2組試樣,每組3根,分為Sample-1和Sample-2兩組分別進行常溫(25℃)和高溫(320℃)拉伸實驗,之后取平均值。拉伸結(jié)果如圖6所示。
圖6 斷裂試樣的拉伸曲線
圖6中,兩組試樣的拉伸曲線重合性較好,說明320℃高溫下20g的力學(xué)性能基本穩(wěn)定。20g斷裂試樣的屈服強度為290MPa左右,與標準中提供的數(shù)據(jù)(縱向245MPa)比較,可知斷裂后20g試樣的屈服強度增加了40-50MPa。這與所取試樣的壁厚(10mm)減薄嚴重,與設(shè)計壁厚(14mm)及現(xiàn)場實際測量的壁厚(13-14mm)相差較大有關(guān)。
可以得出:20g爆裂爐管的高溫力學(xué)性能并未發(fā)生明顯變化。
由金相分析和拉伸實驗的結(jié)果可知:3.5級球化并沒有使20g管道的高溫屈服強度產(chǎn)生明顯下降。這與部分學(xué)者認為的珠光體球化使鋼的高溫屈服強度降低顯著相悖。其原因的可能性分析如下:
3.1 材料力學(xué)性能的惡化不是單純受珠光體組織球化的影響。
3.2 珠光體球化等級判定過于保守。
3.3 試樣選取位置不當。
3.4 同時說明,國內(nèi)將3級球化作為蒸汽管道判廢臨界點過于保守。
因此,推測爐管爆裂原因:爐管因長期高溫運行發(fā)生輕度珠光體球化,加之主管匯汽口迎汽面管壁因溫度波動加快了蠕變損傷的積累,進而產(chǎn)生局部塑性變形,承壓能力下降。
4.20 g蒸汽主管剩余強度評價
實驗結(jié)果表明,將達到3.5級球化的20g蒸汽主管予以報廢過于保守,缺乏經(jīng)濟性。因此,本文通過剩余強度評價對存在3.5級球化缺陷的蒸氣管道是否能在一定運行壓力下繼續(xù)服役的安全性進行研究,以科學(xué)指導(dǎo)管道維修和工業(yè)安全生產(chǎn)管理。
顏世華[4]對已達3-4級球化且有局部減薄缺陷的20g管道在350℃下運行的剩余強度進行了研究,其研究結(jié)果表明:通過極限內(nèi)壓的推算判斷管道繼續(xù)服役的安全性是可以接受的;同時,也指出對已達3-4級球化的管道進行報廢過于保守。
通過公式(1)[5]計算極限載荷:
式中:P為極限內(nèi)壓,MPa;σ0.2為材料屈服強度,MPa;為管道外徑,mm;ri為管道內(nèi)徑,mm。
可知3.5級球化的20g管道在350℃的標準屈服強度σ0.2=230MPa[3]。因此,可以得到規(guī)格為φ165mm×14mm的管道達到3.5級球化后的極限內(nèi)壓為P=41MPa。而本文研究的管道運行溫度只有320℃,且運行壓力14MPa遠小于極限內(nèi)壓。
可以得出:達到3.5級球化的20g蒸汽主管,在限制超溫超壓條件下,其繼續(xù)服役的安全性是可以接受的。
4.1 通過實驗表明:20g蒸汽主管在長期使用過程中發(fā)生3.5級球化,加之主管匯汽口迎汽面管壁因溫度波動而加快蠕變損傷的積累,致使管道發(fā)生局部塑性變形、減薄,承壓能力下降,在壓力和溫度的共同作用下爆裂失效;同時,將珠光體球化等級作為高溫主蒸汽管道判廢依據(jù)過于保守且不精確。
4.2 通過剩余強度評價表明:達到3.5級珠光體球化的20g管道在350℃時的極限內(nèi)壓為41MPa,遠高于320℃下的運行壓力14MPa,因此,達到3.5級球化的20g蒸汽主管,在限制超溫超壓條件下,其繼續(xù)服役的安全性是可以接受的。
4.3 研究結(jié)果表明:其余20g蒸汽鍋爐爐管可以繼續(xù)安全服役,但要加強安全檢查、監(jiān)測,避免溫度、壓力的激烈波動,嚴禁超溫超壓運行,并且蒸汽主管匯汽段應(yīng)列為管道安全管理的重點部位。
[1]高鋒,劉暉,樊玉光等.蒸汽管道剩余壽命評估方法評述[J].腐蝕與防護,2008,(05):295-298.
[2]徐鵬,艾志斌.20g鋼珠光體球化對材質(zhì)損傷程度的試驗研究[J].壓力容器,2003,20(12):12-14.
[3]DL/T786-2001.碳鋼石墨化檢驗及評級標準[S].
[4]顏世華,某燃油鍋爐水冷壁管繼續(xù)服役可行性研究[碩士論文D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2009.
[5]徐秉業(yè),陳森燦.塑性理論簡明教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1981.