齊 聰

浙江石油化工有限公司 浙江舟山 316000

某工廠裝置框架局部發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)急處置完成后，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域氫氣管道母材局部開(kāi)裂，開(kāi)口明顯，與管子縱向平行，長(zhǎng)度約140mm，附近設(shè)備、管道、儀表及結(jié)構(gòu)等有明顯過(guò)火痕跡。開(kāi)裂部位見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)裂管道外觀圖

氫氣是一種極易燃燒的氣體，屬于石油化工甲類(lèi)可燃?xì)怏w，在4%～74%的濃度時(shí)與空氣混合或占5%～95%的濃度時(shí)與氯氣混合時(shí)極易爆炸，在熱、日光或火花的刺激下易引爆。經(jīng)核查該氫氣管道資料，管道材質(zhì)為20# 碳鋼，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB9948- 2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》，規(guī)格Φ114×6。

為保證裝置氫氣管道安全運(yùn)行，杜絕類(lèi)似事故的再次發(fā)生，對(duì)氫氣管道開(kāi)裂的原因進(jìn)行了全面分析。對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行查詢，管道材質(zhì)、規(guī)格等選用符合設(shè)計(jì)規(guī)范；詳細(xì)查閱裝置運(yùn)行記錄、操作曲線等資料，無(wú)違規(guī)操作情況；檢查現(xiàn)場(chǎng)施工記錄，按施工規(guī)范要求進(jìn)行了壓力試驗(yàn)，結(jié)果合格；根據(jù)GB9948- 2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》要求，檢查材料質(zhì)量證明文件，化學(xué)成分、力學(xué)性能、工藝性能、無(wú)損檢測(cè)等符合制造標(biāo)準(zhǔn)要求，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開(kāi)裂材料進(jìn)行了便攜式光譜檢測(cè)，材質(zhì)合格。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、施工、材料等方面的初步調(diào)查，無(wú)法確定氫氣管道開(kāi)裂的具體原因，因此需要進(jìn)一步對(duì)開(kāi)裂管段的材質(zhì)進(jìn)行測(cè)試和分析，主要有宏觀檢查、化學(xué)成分分析、厚度檢測(cè)、機(jī)械性能、金相檢驗(yàn)、電鏡觀察及能譜分析等，找出氫氣管道的性能劣化和組織變化情況，便于詳細(xì)分析開(kāi)裂原因，為后續(xù)制定有效的預(yù)防措施提供技術(shù)支撐。

1 宏觀檢查

為了更全面、客觀地檢查管道情況，對(duì)開(kāi)裂部位近端和遠(yuǎn)端材料均取樣觀察。從開(kāi)口位置及附近外觀形貌看，開(kāi)裂兩端耦合性差，開(kāi)口位置存在明顯脫皮，附近有明顯宏觀塑性變形特征，主要表現(xiàn)為向外凸起翹曲，7# 位置存在較厚柱狀灰黑色覆蓋物。詳見(jiàn)圖2 和圖3。

圖2 開(kāi)裂管子整體外觀

圖3 管子局部外觀

在體視顯微鏡下分別對(duì)1# 、4# 斷口（人為斷口）和2# 、3# 及其匹配斷口進(jìn)行觀察和厚度測(cè)量，各斷口上均可見(jiàn)黑色光滑的覆蓋物及紅色鐵銹。其中2# 、3# 試樣主斷口厚度均在5mm 以上，但其匹配斷口厚度較小，只有3mm，存在明顯宏觀塑性變形。詳見(jiàn)圖4。

圖4 2# 斷口宏觀形貌

2 化學(xué)成分分析

按照GB9948- 2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求取樣，采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。詳見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

3 厚度檢測(cè)

開(kāi)口處因撕裂變形，為了有效檢測(cè)管道材料厚度，分別對(duì)1# 、2# 、3# 和4# 開(kāi)裂部位遠(yuǎn)端，選取有代表性部位進(jìn)行厚度檢測(cè)，結(jié)果滿足管道規(guī)格厚度6mm 要求。詳見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)裂部位遠(yuǎn)端厚度檢測(cè)結(jié)果 mm

4 機(jī)械性能檢測(cè)

分別在開(kāi)裂部位近端和遠(yuǎn)端取樣，進(jìn)行縱向拉伸和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，近端和遠(yuǎn)端試樣各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)均符合GB9948- 2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》要求，近端由于距離高溫區(qū)近，性能略低于遠(yuǎn)端。見(jiàn)表3。

表3 機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

5 金相檢測(cè)

對(duì)1# 、2# 、3# 、4# 斷口分別進(jìn)行拋光金相檢測(cè)和4%硝酸酒精腐蝕金相檢測(cè)。

1# 斷口截面拋光金相顯示，組織內(nèi)部存在較多不連續(xù)彎曲的微裂紋，靠近斷口局部已脫落。4%硝酸酒精腐蝕后組織微裂紋均沿晶界開(kāi)裂，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體、晶界生長(zhǎng)出的羽毛狀相互平行的鐵素體、珠光體，該組織與20# 鋼的魏氏組織特征相符，是材料從高溫快速冷卻時(shí)形成。

2# 斷口截面外側(cè)拋光態(tài)金相組織顯示，斷口表面及背面均存在厚度不均的灰色層，斷口面的較薄，為黑白相間組織，背面的灰色層較厚，幾乎無(wú)白色組織，該灰色層中均可見(jiàn)圓形空洞，組織疏松，此外背面基體一定深度內(nèi)還可見(jiàn)大量黑色氧化物。內(nèi)側(cè)拋光態(tài)金相顯示，斷口面及盆面均發(fā)現(xiàn)灰色層，斷口面內(nèi)部可見(jiàn)孔洞，盆面存在白色疏松層，為常溫腐蝕層。4%硝酸酒精腐蝕后，外側(cè)的斷口及背面為灰色層，為基體燒蝕形成，白色點(diǎn)狀組織為基體殘留，灰色為燒蝕產(chǎn)物，基體近表面為粗大的為魏氏體組織，晶粒和鐵素體特別粗大。內(nèi)側(cè)斷口及盆面無(wú)燒蝕層，晶粒和鐵素體相對(duì)較小，為相對(duì)較細(xì)的魏氏體組織。見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 2# 斷口截面外側(cè)拋光態(tài)宏觀、微觀形貌

圖6 2# 斷口截面外側(cè)4%硝酸酒精腐蝕后顯微形貌

3# 斷口截面外側(cè)拋光態(tài)金相組織顯示，斷口表面及背面存在灰色層，斷口面的灰色層較薄，背面的灰色層較厚，可見(jiàn)空洞、疏松狀組織，背面基體還可見(jiàn)大量黑色氧化物。內(nèi)側(cè)拋光態(tài)金相顯示，斷口面及盆面均存在灰色層，斷口面內(nèi)部有孔洞，盆面存在白色疏松層。4%硝酸酒精腐蝕后，外側(cè)的斷口及背面為灰色層，屬于基體燒蝕形成的組織，基體近表面為粗大的為魏氏體組織，晶粒和鐵素體粗大。內(nèi)側(cè)斷口及盆面無(wú)燒蝕層，晶粒和鐵素體較小，為相對(duì)較細(xì)的魏氏體組織。通過(guò)拋光態(tài)和腐蝕態(tài)金相檢測(cè)對(duì)比，3# 斷口金相形貌特征與2# 相似，外側(cè)表面同樣存在燒蝕現(xiàn)象，但燒蝕程度沒(méi)2# 嚴(yán)重，近表面可見(jiàn)粗大魏氏組織，內(nèi)側(cè)魏氏組織較細(xì)。見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 3# 斷口截面外側(cè)拋光態(tài)宏觀、微觀形貌

圖8 3# 斷口截面外側(cè)4%硝酸酒精腐蝕后顯微形貌

對(duì)4# 斷口截面進(jìn)行拋光態(tài)及腐蝕態(tài)金相組織檢測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)4# 斷口截面拋光態(tài)及腐蝕態(tài)金相組織形貌特征與3# 相似，外側(cè)表面同樣存在燒蝕現(xiàn)象，但燒蝕程度沒(méi)3# 嚴(yán)重，近表面可見(jiàn)粗大魏氏組織，內(nèi)側(cè)魏氏組織較細(xì)。

對(duì)5# 、6# 試樣的金相磨面經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后檢測(cè)，金相組織為等軸鐵素體+ 珠光體，屬正常組織，但相比而言，6# 試樣組織較細(xì)，與6# 試樣遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩从嘘P(guān)。

6 非金屬夾雜物檢測(cè)

在金相檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)金屬中非金屬夾雜物進(jìn)行測(cè)定。將顯微觀察到的視場(chǎng)與GB/ T 10561- 2005《鋼中非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》標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對(duì)，符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的D 類(lèi)“球狀氧化物類(lèi)，不變形，帶角或圓形的，形態(tài)比?。ㄒ话阈∮?），黑色或者帶藍(lán)色的，無(wú)規(guī)則分布的顆?！敝? 級(jí)，未發(fā)現(xiàn)粗細(xì)夾雜物。滿足標(biāo)準(zhǔn)GB9948- 2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》中規(guī)定的：鋼管的非金屬夾雜物按GB/ T 10561- 2005 中的A法評(píng)級(jí)，A、B、C、D 各類(lèi)夾雜物（粗系和細(xì)系）級(jí)別應(yīng)分別不大于2.5 級(jí)，A、B、C、D 各類(lèi)夾雜物的細(xì)系級(jí)別總數(shù)與粗細(xì)級(jí)別總數(shù)應(yīng)各不大于6.5 級(jí)的要求。

7 電鏡觀察及能譜分析

對(duì)1# 、4# 進(jìn)行電鏡觀察，斷口表面可見(jiàn)高溫氧化燒蝕特征，斷口局部可見(jiàn)沿晶特征的斷口形貌。1# 、4# 為人為斷口，斷口呈沿晶+ 韌窩的混合型斷口。詳見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 1# 斷口宏觀、微觀形貌

圖10 4# 斷口宏觀、微觀形貌

對(duì)2# 、3# 斷口進(jìn)行電鏡觀察（圖11、圖12），斷口表面均可見(jiàn)高溫氧化燒蝕特征。3# 斷口表面由于銹蝕產(chǎn)物及覆蓋物過(guò)多，未發(fā)現(xiàn)明顯沿晶特征。4# 斷口局部可見(jiàn)沿晶特征的斷口形貌。

圖11 2# 斷口宏觀、微觀形貌

圖12 3# 斷口宏觀、微觀形貌

對(duì)2# 、3# 斷口表面及背面覆蓋物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，除含有較多Fe、O 元素外，還存在Zn、Mn、Si 等元素。見(jiàn)表4。

表4 能譜分析結(jié)果

8 綜合分析

通過(guò)宏觀檢查結(jié)果表明，管子開(kāi)裂部位外表面大部分覆蓋物已脫落，但斷口及其外表面局部仍可見(jiàn)殘留黑色光滑覆蓋物。管子遠(yuǎn)端試樣的化學(xué)成分、厚度檢測(cè)、機(jī)械性能、金相組織、非金屬夾雜物等分析結(jié)果均符合GB9948- 2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》要求，距離管子開(kāi)裂處較近位置力學(xué)性能雖然相對(duì)遠(yuǎn)端有所降低，但仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明管道原材料合格。通過(guò)斷口金相組織表明，斷口外側(cè)表面及背面存在黑白相間的基體燒蝕產(chǎn)物，近表面則為粗大的魏氏體組織，而斷口內(nèi)側(cè)未發(fā)現(xiàn)基體燒蝕特征，且魏氏體組織相對(duì)細(xì)小。通過(guò)斷口電鏡觀察及能譜分析表明，斷口局部可見(jiàn)沿晶斷裂特征，表面覆蓋物主要為鐵氧化物。根據(jù)以上特征可判斷，該管的開(kāi)裂性質(zhì)為高溫?zé)g。

從斷口截面由外到內(nèi)金相組織的不同特征推斷，外表面首先受到高溫作用，表面嚴(yán)重氧化脫碳，隨著高溫時(shí)間持續(xù)，基體開(kāi)始出現(xiàn)燒蝕，近表面晶界開(kāi)始氧化，次表面由于受到高溫作用晶粒開(kāi)始急速長(zhǎng)大，中心組織及內(nèi)側(cè)受到的溫度也較高，在后續(xù)冷卻過(guò)程中均形成了魏氏組織，由于晶界弱化的原因，斷口呈沿晶特征。

結(jié)合技術(shù)分析結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，氫氣管道開(kāi)裂部位附近設(shè)備存在法蘭連接，管道開(kāi)裂部位朝向設(shè)備，且此部位過(guò)火較為嚴(yán)重。據(jù)此推斷，設(shè)備法蘭密封局部泄漏產(chǎn)生明火，烘烤臨近氫氣管道致使局部強(qiáng)度下降而破裂。對(duì)設(shè)備法蘭密封進(jìn)行檢查測(cè)試，存在漏點(diǎn)。

9 結(jié)論和整改預(yù)防措施

針對(duì)本次事故，從設(shè)計(jì)、工藝操作、施工、材料各方面進(jìn)行了調(diào)查，通過(guò)對(duì)管道開(kāi)裂部位的全面檢測(cè)技術(shù)分析和現(xiàn)場(chǎng)檢查，得出了氫氣管道開(kāi)裂原因：設(shè)備法蘭密封存在漏點(diǎn)，介質(zhì)泄漏產(chǎn)生明火，烘烤臨近氫氣管道，管子外表面由于受到高溫作用，表面出現(xiàn)燒蝕，基體內(nèi)部晶界開(kāi)始氧化、晶粒急劇長(zhǎng)大，組織進(jìn)一步惡化，致使材料強(qiáng)度不足，最終發(fā)生沿晶開(kāi)裂，導(dǎo)致管子破裂，氫氣介質(zhì)泄漏導(dǎo)致火勢(shì)擴(kuò)大。

根據(jù)分析原因，制定了整改預(yù)防措施。對(duì)氫氣管道進(jìn)行更換，對(duì)臨近儀表、結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，對(duì)設(shè)備法蘭等臨近其他密封進(jìn)行全方位檢查、緊固和泄漏性檢測(cè)，并加強(qiáng)該區(qū)域的運(yùn)行監(jiān)控和監(jiān)測(cè)，確保密封無(wú)泄漏。