氮?dú)饧訜崞鞒瑴厥Х治?/h1>
2020-07-15 04:51:48杜亞強(qiáng)
甘肅科技 2020年8期
杜亞強(qiáng)
（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，甘肅 蘭州730030）
1 概述
2017年03月初，對某化工廠聚丙烯裝置整套設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)，期間發(fā)現(xiàn)一臺水平安裝的氮?dú)饧訜崞魑床鸨貢r，水平鞍座地腳螺栓偏移，便對該容器整體保溫進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)外部筒體向上隆起變形，上下端點(diǎn)水平位移差4cm，外部發(fā)黑，鞍座固定螺栓移位，鞍座與筒體連接焊縫存在明顯肉眼可見宏觀裂紋，如圖（1-2）所示。
圖1 變形過燒程隆起實(shí)況圖
圖2 外脫落，鞍座位移，材料石墨化實(shí)況圖
2 設(shè)備信息
名稱：氮?dú)饧訜崞?；設(shè)計(jì)壓力0.45MPa；設(shè)計(jì)溫度280℃；允許操作溫度≤280℃,實(shí)際操作溫度400～480℃，介質(zhì)為氮?dú)?；尺寸?Φ450×2620(mm)，材質(zhì)為Q235；2012年經(jīng)檢驗(yàn)評定為2級6年。
3 失效分析
該臺設(shè)備使用工況較差，條件惡略，長期處于超溫運(yùn)行狀態(tài)，超溫運(yùn)行范圍為400～480℃，長期伴隨急劇升溫與緩慢降溫情況?？紤]在低于屈服應(yīng)力的載荷作用下，該設(shè)備高溫部分金屬材料隨時間推移而緩慢發(fā)生塑性變形，金相觀察后，蠕變孔洞多在晶界處出現(xiàn)，中后期形成微裂紋，然后形成宏觀裂紋（位于接管角焊縫、環(huán)焊縫處）；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于Q235蠕變溫度閾值（380℃）時，可觀察到明顯的鼓脹、升長、隆起等變形；變形量主要取決于設(shè)備材質(zhì)、溫度與應(yīng)力水平的三者組合。高應(yīng)力條件下，孔洞在晶粒中夾雜物處形成，隨蠕變損傷的持續(xù)而長大、匯合，形成穿晶蠕變。該設(shè)備蠕變變形速率隨應(yīng)力水平越高，蠕變變形速率越大，該臺設(shè)備超溫運(yùn)行周期未知，而蠕變韌性低的材料發(fā)生蠕變時變形小或沒有明顯變形，但是伴隨應(yīng)力斷裂、過熱、再熱裂紋等。
其次，長期暴露在427～596℃溫度范圍內(nèi)的金屬材料，其珠光體顆粒分解成鐵素體顆粒和石墨，碳化物分解后，形成石墨球；石墨化損傷的末階段與蠕變強(qiáng)度降低有關(guān)，包括微裂紋、微孔洞形成、表面及近表面開裂；溫度低于427℃時，石墨化速率極慢；溫度越高，石墨化速率越快，該設(shè)備局部屈服和顯著塑性變形的區(qū)域，包括高應(yīng)力集中區(qū)，已發(fā)生石墨化;另一方面石墨化程度可分為無、輕微、中等和嚴(yán)重四類，石墨化速率很難預(yù)測，僅憑工程使用經(jīng)驗(yàn)可知，溫度高于538℃時熱影響區(qū)嚴(yán)重石墨化僅需5年，而454℃時輕微石墨化需要30～40年，石墨化損傷后期產(chǎn)生的表面開口裂紋（位于接管叫焊縫、環(huán)焊縫處）。參考國標(biāo)表達(dá)為425℃以上發(fā)生石墨化，而API說427～593℃區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生，但 400℃也都是保守值，部分設(shè)備用了在450℃環(huán)境下四五十年也未曾出現(xiàn)問題，所以針對該臺設(shè)備的分析都是相對的，但538℃以上就會在短短幾年內(nèi)形成嚴(yán)重的石墨化。而珠光體球化，API推薦性標(biāo)準(zhǔn)解釋為440-760℃區(qū)間可能發(fā)生，球化和石墨化是發(fā)生在重疊的溫度范圍的相互競爭的機(jī)理，在高于大約552℃ 的溫度下，石墨化可能在球化后發(fā)生，在低于552℃ 下，石墨化在鋼完全球化前發(fā)生。但不容忽視的是石墨化后材料強(qiáng)度極低，石墨以片狀形式出現(xiàn)，使材料強(qiáng)度大大降低，脆性增加；如果長期冷熱交替工作，那么材料內(nèi)部在溫差變化引起的熱應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生微小裂紋而不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致破裂。因此，該設(shè)備在溫度起伏變化工作條件下的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布均應(yīng)應(yīng)考慮鋼材的熱疲勞性能。
最后還應(yīng)考慮該材料長期高溫超過蠕變溫度閾值（380°）時脫碳的過程，碳在高溫下與氫或氧發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳。脫碳是擴(kuò)散作用的結(jié)果，脫碳時一方面是氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散；另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)散，從最后的結(jié)果看，脫碳層只在脫碳速度超過氧化速度時才能形成。當(dāng)氧化速度很大時，可以不發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即脫碳層產(chǎn)生后鐵即被氧化而成氧化鐵皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，可以形成較深的脫碳層。脫碳層的組織特征為脫碳層由于碳被氧化，反映在化學(xué)成分上其含碳量較正常組織低；反映在金相組織上其滲碳體（Fe3C）的數(shù)量較正常組織少；反映在力學(xué)性能上其強(qiáng)度或硬度較正常組織低。鋼的脫碳層包括全脫碳層和部分脫碳層（過渡層）兩部分，部分脫碳層是指在全脫碳層之后到鋼含碳量正常的組織處，在脫碳不嚴(yán)重的情況下，有時僅看到部分脫碳層而沒有全脫碳層，關(guān)于脫碳層深度可根據(jù)脫碳成分、組織及性能的變化，該設(shè)備可采用多種方法測定。
4 優(yōu)化方式
約束設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的額定可運(yùn)行工況上限，針對替換設(shè)備設(shè)計(jì)時充分考慮各種不利因素，選擇合理的截面形式和開孔補(bǔ)強(qiáng)，降低局部高應(yīng)力，選用蠕變韌性儲備足夠的材料，或添加合適的合金成分，并進(jìn)行合適的焊后熱處理提高材料蠕變韌性；需明確蠕變損傷不可逆，一旦檢測到損傷或開裂，應(yīng)進(jìn)行壽命評價，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷或裂紋時應(yīng)進(jìn)行更換，采用焊接方法修理時宜選擇較高的焊后熱處理溫度；改進(jìn)工藝運(yùn)行參數(shù)或物料組分比，降低工藝運(yùn)行溫度至蠕變閾值以下，或減少設(shè)備局部過熱情況，并減少結(jié)垢或沉積，對結(jié)垢和沉積物及時進(jìn)行清除，對可能發(fā)生過熱或超溫，以及應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜的部位進(jìn)行金相檢查，必要時可微損或破壞性取樣試驗(yàn)，測試材料高溫力學(xué)性能，配合表面無損檢測手段，目測檢測是否有鼓脹、鼓包、開裂、下垂和弧狀彎曲等，在最可能發(fā)生壁厚減薄的地方測量壁厚。
猜你喜歡
石墨系升溫球的實(shí)踐與應(yīng)用昆鋼科技(2022年1期)2022-04-19 11:36:14 5種沸石分子篩的吸附脫碳對比實(shí)驗(yàn)煤氣與熱力(2021年9期)2021-11-06 05:22:56 重力載荷作用下的三鞍座容器鞍座受力分析石油化工設(shè)備技術(shù)(2019年5期)2019-09-05 12:04:16 三鞍座臥式容器鞍座許用沉降量研究機(jī)械設(shè)計(jì)與制造(2018年7期)2018-07-19 07:32:26 石墨烯的健康路紡織科學(xué)研究(2017年7期)2017-07-25 07:48:49 加熱和旋鍛過程對彈簧鋼表面脫碳層厚度的影響研究鍛造與沖壓(2016年21期)2016-07-18 12:04:06 微波加熱內(nèi)配碳酸鈣高碳錳鐵粉固相脫碳試驗(yàn)研究太原理工大學(xué)學(xué)報(2014年2期)2014-08-10 12:26:56 石墨礦中固定碳的分析與探討中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊(2014年3期)2014-02-28 09:20:43 碼頭車鞍座升降定位邏輯電路的設(shè)計(jì)汽車電器(2012年8期)2012-12-23 06:21:44 AOD在線脫碳模型的研究與實(shí)踐袁杭明科技資訊(2012年6期)2012-04-29 09:33:33
杜亞強(qiáng)
（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，甘肅 蘭州730030）
1 概述
2017年03月初，對某化工廠聚丙烯裝置整套設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)，期間發(fā)現(xiàn)一臺水平安裝的氮?dú)饧訜崞魑床鸨貢r，水平鞍座地腳螺栓偏移，便對該容器整體保溫進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)外部筒體向上隆起變形，上下端點(diǎn)水平位移差4cm，外部發(fā)黑，鞍座固定螺栓移位，鞍座與筒體連接焊縫存在明顯肉眼可見宏觀裂紋，如圖（1-2）所示。
圖1 變形過燒程隆起實(shí)況圖
圖2 外脫落，鞍座位移，材料石墨化實(shí)況圖
2 設(shè)備信息
名稱：氮?dú)饧訜崞?；設(shè)計(jì)壓力0.45MPa；設(shè)計(jì)溫度280℃；允許操作溫度≤280℃,實(shí)際操作溫度400～480℃，介質(zhì)為氮?dú)?；尺寸?Φ450×2620(mm)，材質(zhì)為Q235；2012年經(jīng)檢驗(yàn)評定為2級6年。
3 失效分析
該臺設(shè)備使用工況較差，條件惡略，長期處于超溫運(yùn)行狀態(tài)，超溫運(yùn)行范圍為400～480℃，長期伴隨急劇升溫與緩慢降溫情況?？紤]在低于屈服應(yīng)力的載荷作用下，該設(shè)備高溫部分金屬材料隨時間推移而緩慢發(fā)生塑性變形，金相觀察后，蠕變孔洞多在晶界處出現(xiàn)，中后期形成微裂紋，然后形成宏觀裂紋（位于接管角焊縫、環(huán)焊縫處）；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于Q235蠕變溫度閾值（380℃）時，可觀察到明顯的鼓脹、升長、隆起等變形；變形量主要取決于設(shè)備材質(zhì)、溫度與應(yīng)力水平的三者組合。高應(yīng)力條件下，孔洞在晶粒中夾雜物處形成，隨蠕變損傷的持續(xù)而長大、匯合，形成穿晶蠕變。該設(shè)備蠕變變形速率隨應(yīng)力水平越高，蠕變變形速率越大，該臺設(shè)備超溫運(yùn)行周期未知，而蠕變韌性低的材料發(fā)生蠕變時變形小或沒有明顯變形，但是伴隨應(yīng)力斷裂、過熱、再熱裂紋等。
其次，長期暴露在427～596℃溫度范圍內(nèi)的金屬材料，其珠光體顆粒分解成鐵素體顆粒和石墨，碳化物分解后，形成石墨球；石墨化損傷的末階段與蠕變強(qiáng)度降低有關(guān)，包括微裂紋、微孔洞形成、表面及近表面開裂；溫度低于427℃時，石墨化速率極慢；溫度越高，石墨化速率越快，該設(shè)備局部屈服和顯著塑性變形的區(qū)域，包括高應(yīng)力集中區(qū)，已發(fā)生石墨化;另一方面石墨化程度可分為無、輕微、中等和嚴(yán)重四類，石墨化速率很難預(yù)測，僅憑工程使用經(jīng)驗(yàn)可知，溫度高于538℃時熱影響區(qū)嚴(yán)重石墨化僅需5年，而454℃時輕微石墨化需要30～40年，石墨化損傷后期產(chǎn)生的表面開口裂紋（位于接管叫焊縫、環(huán)焊縫處）。參考國標(biāo)表達(dá)為425℃以上發(fā)生石墨化，而API說427～593℃區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生，但 400℃也都是保守值，部分設(shè)備用了在450℃環(huán)境下四五十年也未曾出現(xiàn)問題，所以針對該臺設(shè)備的分析都是相對的，但538℃以上就會在短短幾年內(nèi)形成嚴(yán)重的石墨化。而珠光體球化，API推薦性標(biāo)準(zhǔn)解釋為440-760℃區(qū)間可能發(fā)生，球化和石墨化是發(fā)生在重疊的溫度范圍的相互競爭的機(jī)理，在高于大約552℃ 的溫度下，石墨化可能在球化后發(fā)生，在低于552℃ 下，石墨化在鋼完全球化前發(fā)生。但不容忽視的是石墨化后材料強(qiáng)度極低，石墨以片狀形式出現(xiàn)，使材料強(qiáng)度大大降低，脆性增加；如果長期冷熱交替工作，那么材料內(nèi)部在溫差變化引起的熱應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生微小裂紋而不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致破裂。因此，該設(shè)備在溫度起伏變化工作條件下的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布均應(yīng)應(yīng)考慮鋼材的熱疲勞性能。
最后還應(yīng)考慮該材料長期高溫超過蠕變溫度閾值（380°）時脫碳的過程，碳在高溫下與氫或氧發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳。脫碳是擴(kuò)散作用的結(jié)果，脫碳時一方面是氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散；另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)散，從最后的結(jié)果看，脫碳層只在脫碳速度超過氧化速度時才能形成。當(dāng)氧化速度很大時，可以不發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即脫碳層產(chǎn)生后鐵即被氧化而成氧化鐵皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，可以形成較深的脫碳層。脫碳層的組織特征為脫碳層由于碳被氧化，反映在化學(xué)成分上其含碳量較正常組織低；反映在金相組織上其滲碳體（Fe3C）的數(shù)量較正常組織少；反映在力學(xué)性能上其強(qiáng)度或硬度較正常組織低。鋼的脫碳層包括全脫碳層和部分脫碳層（過渡層）兩部分，部分脫碳層是指在全脫碳層之后到鋼含碳量正常的組織處，在脫碳不嚴(yán)重的情況下，有時僅看到部分脫碳層而沒有全脫碳層，關(guān)于脫碳層深度可根據(jù)脫碳成分、組織及性能的變化，該設(shè)備可采用多種方法測定。
4 優(yōu)化方式
約束設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的額定可運(yùn)行工況上限，針對替換設(shè)備設(shè)計(jì)時充分考慮各種不利因素，選擇合理的截面形式和開孔補(bǔ)強(qiáng)，降低局部高應(yīng)力，選用蠕變韌性儲備足夠的材料，或添加合適的合金成分，并進(jìn)行合適的焊后熱處理提高材料蠕變韌性；需明確蠕變損傷不可逆，一旦檢測到損傷或開裂，應(yīng)進(jìn)行壽命評價，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷或裂紋時應(yīng)進(jìn)行更換，采用焊接方法修理時宜選擇較高的焊后熱處理溫度；改進(jìn)工藝運(yùn)行參數(shù)或物料組分比，降低工藝運(yùn)行溫度至蠕變閾值以下，或減少設(shè)備局部過熱情況，并減少結(jié)垢或沉積，對結(jié)垢和沉積物及時進(jìn)行清除，對可能發(fā)生過熱或超溫，以及應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜的部位進(jìn)行金相檢查，必要時可微損或破壞性取樣試驗(yàn)，測試材料高溫力學(xué)性能，配合表面無損檢測手段，目測檢測是否有鼓脹、鼓包、開裂、下垂和弧狀彎曲等，在最可能發(fā)生壁厚減薄的地方測量壁厚。
猜你喜歡
昆鋼科技(2022年1期)2022-04-19 11:36:14
煤氣與熱力(2021年9期)2021-11-06 05:22:56
石油化工設(shè)備技術(shù)(2019年5期)2019-09-05 12:04:16
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造(2018年7期)2018-07-19 07:32:26
紡織科學(xué)研究(2017年7期)2017-07-25 07:48:49
鍛造與沖壓(2016年21期)2016-07-18 12:04:06
太原理工大學(xué)學(xué)報(2014年2期)2014-08-10 12:26:56
中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊(2014年3期)2014-02-28 09:20:43
汽車電器(2012年8期)2012-12-23 06:21:44
科技資訊(2012年6期)2012-04-29 09:33:33
