文 /張 嵐 石生芳
某石油化工企業(yè)安置的超臨界乙烯輸送相關(guān)管線發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。受火的管道是否可以繼續(xù)使用?為保障受火化工裝置能盡快地恢復(fù)安全運(yùn)行,相關(guān)人員在對事故現(xiàn)場進(jìn)行了細(xì)致檢查后發(fā)現(xiàn):多條管線爆破斷裂,爆破的出口管道規(guī)格為Φ219 mm×13 mm,材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼,橫向斷裂,其中一段飛離約38 m,并發(fā)生塑性變形;另一半管道的端部管段被爆成扁平狀。本文針對乙烯輸送相關(guān)管道受火后材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究,并對管道的爆炸斷裂失效原因進(jìn)行分析。
爆炸失效的管道為DN200,壁厚為13 mm。該段管道原來是在管架上,發(fā)生爆炸后靠后的管道沖出管架,掉在相反方向的地上。爆炸發(fā)生處的管道,發(fā)現(xiàn)中間段已經(jīng)由圓形變平(掉到地上而變形),前后兩部分都基本保持圓筒形。
在徑向斷口上,管道最薄處為3 mm;在軸向斷口上,管道最薄處為6.5 mm。從宏觀上看,有明顯的塑性變形和頸縮現(xiàn)象,說明管道屬于明顯的塑性過載斷裂。
在爆炸處的前后兩端管道上各取一部分材料進(jìn)行分析,考慮到這兩段管道都已受爆炸影響,特在間隔爆破口約100 m處再取一段未受爆炸影響的管道進(jìn)行分析。
按照GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應(yīng)爐燃燒紅外吸收法(常規(guī)法)》和GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對管道材料進(jìn)行化學(xué)成分分析,并與GB 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》中該管道相同牌號的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分做對比。
表1 受損與標(biāo)準(zhǔn)管道化學(xué)成分對比表 %
從表1中可以看出,該材料磷(P)含量略高于標(biāo)準(zhǔn),其他元素含量都符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但P含量的微量偏高對宏觀力學(xué)性能沒有任何影響。雖這個標(biāo)準(zhǔn)中對C和P都提出了更高的要求,但在螺栓標(biāo)準(zhǔn)中對P的要求為≤0.045%。
按照GB/T 2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試樣取樣位置和試樣制備》對兩個管道進(jìn)行取樣。按照GB/T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸實驗方法》對試樣進(jìn)行常溫拉伸試樣,實驗溫度為25 ℃~26 ℃。試樣尺寸見圖1。
圖1 試樣尺寸,mm
試驗機(jī)器為Instron 8800拉伸試驗機(jī)。2%應(yīng)變前,加載速率為1 mm/min;2%應(yīng)變后,加載速率為1.5 mm/min。試驗得到的兩部分管道拉伸性能如表2,同時與GB 14976-2012《流體輸送用不銹鋼管》中該管道相同牌號的標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能作對比。
表2 管道試樣拉伸性能與標(biāo)準(zhǔn)對比表
管道飛離部分由于沒有受到大火的影響,所以強(qiáng)度和塑性都符合標(biāo)準(zhǔn)要求,而仍在管架上的管道由于受到大火高溫的影響,強(qiáng)度有了一定程度的降低。未受火影響的一段管道的拉伸性能符合規(guī)定要求,試樣拉斷后呈明顯的伸長和頸縮現(xiàn)象,說明材料的塑性非常好。
按照GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》對管道邊材進(jìn)行硬度檢測,得到硬度值(見表3)。比較結(jié)果可見,受火前后管道邊材硬度未發(fā)生變化。
表3 管道材料硬度值表
通過在離爆炸點(diǎn)100 m左右的管道上取樣進(jìn)行金相分析,從而了解管道材料的原始組織形貌。圖2為離爆炸點(diǎn)100 m左右的管道軸向剖面金相組織,它的晶粒度等級為7級。圖3為一段飛離管道上材料的縱向剖面金相組織圖,可以看到晶粒比較粗大,為5級。這是由于管道材料受到高溫影響,晶粒發(fā)生長大。
圖2 離爆炸點(diǎn)100 m左右的管道金相組織
圖3 飛離的一段管道的金相組織
縱向斷口的宏觀形貌,由于被大火燒過,斷口上呈黑色的氧化現(xiàn)象,端口明顯減薄,是韌性過載斷裂所致,大部分表面已經(jīng)嚴(yán)重氧化,無法辨識原始斷裂的形貌,但在局部凹坑處仍可發(fā)現(xiàn)有沿晶斷裂的形貌(見圖4)。
圖4 原始斷口SEM形貌
斷口上大部分區(qū)域被氧化,但仍能辨別沿晶斷裂特征(見圖5)。這是由于在高溫作用下晶粒也已經(jīng)發(fā)生氧化。
圖5 橫向斷口SEM形貌
對爆炸處的兩部分管道拉伸試樣斷口進(jìn)行了SEM分析。從管廊上斷裂處拉伸試樣斷口SEM形貌(見圖6)可以看出,無論是邊緣還是中心,斷口都呈現(xiàn)韌窩形貌。
圖6 管廊上斷裂處拉伸試樣斷口形貌
從管道飛離部分拉伸試樣斷口SEM形貌(見圖7)可以看出,無論是邊緣還是中心,斷口也都呈現(xiàn)韌窩形貌。
圖7 管道飛離部分拉伸試樣斷口形貌
從爆炸失效管道材料的化學(xué)成分分析可見,材料P含量略高于標(biāo)準(zhǔn),其他元素含量都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對管道的力學(xué)性能分析表明,受到大火燃燒和高溫影響的管道,強(qiáng)度有了一定程度的降低;晶粒發(fā)生長大,為5級;對管道斷裂口分析顯示,大部分表面已經(jīng)有嚴(yán)重氧化,斷口為沿晶開裂的特征,有明顯的塑性變形:斷口都呈現(xiàn)韌窩形貌。
爆炸失效管道的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能正常,未發(fā)現(xiàn)可檢測到的缺陷。管道的爆炸斷裂是火燒導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低而造成的韌性過載斷裂。
由于爆炸燃燒高溫的影響,金屬材料的強(qiáng)度會有一定程度的降低,晶粒也會發(fā)生長大,建議對本裝置中受火但未破裂的管道和壓力設(shè)備進(jìn)行安全評估,確認(rèn)是否繼續(xù)使用,以保障化工裝置的安全運(yùn)行。