硫磺裝置蒸汽管線斷裂原因分析及整改措施

謝永志 黃余 梁玉武

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院茂名檢測院 廣東茂名 525000）

2021年11月，中石化某煉化公司煉油三部一根蒸汽管線發(fā)生斷裂，未造成人員傷亡事故。為有效分析該斷裂管的失效原因，我單位組織相關(guān)科研人員對(duì)硫磺裝置蒸汽管線斷裂原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的整改措施。該斷裂蒸汽管一段如圖1所示。該管線材料為20#鋼，規(guī)格為DN80*6，介質(zhì)為中壓蒸汽，壓力1.0MPa，溫度270℃。據(jù)車間介紹，該管線是在裝置引蒸汽過程發(fā)生斷裂的。

圖1 來樣照片

1 試驗(yàn)分析

1.1 宏觀觀察

圖1.1為斷管的宏觀形貌，斷裂口及附近管段發(fā)生了塑性變形，已成橢圓狀，長軸直徑為93mm，短軸直徑為80mm，測厚顯示壁厚無明顯減薄現(xiàn)象（見表1.1）。

表1.1 測厚數(shù)據(jù)

圖1.1 斷管宏觀形貌

圖1.2、圖1.3為斷口宏觀形貌，斷口呈45o角，為典型剪切斷口，斷口可分為3個(gè)區(qū)域。

圖1.2 斷口宏觀形貌

區(qū)域1斷口呈45o角，裂紋起源于外壁焊瘤處，裂紋源部位可觀察到以裂紋源（焊瘤）為原點(diǎn)的放射紋（見圖1.3a），兩側(cè)可觀察到指向裂紋源的人字紋，符合高應(yīng)力作用下的韌性斷裂的特征，因此推測該區(qū)域裂紋為起源于外壁焊瘤的高應(yīng)力韌性斷裂裂紋。

區(qū)域2斷口呈45o角，裂紋起源于外壁，有多個(gè)裂紋源，為多源起裂，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，且斷口上有明顯的碾壓痕（見圖1.3b），因此該區(qū)域裂紋仍為起源于外壁的韌性斷裂裂紋，但從斷口上存在碾壓痕判斷，折斷前經(jīng)受了交變載荷作用。

區(qū)域3斷口呈45o角，裂紋起源于內(nèi)壁，有多個(gè)裂紋源，為多源起裂，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，且斷口上局部有碾壓痕跡（見圖1.3c），因此該區(qū)域裂紋仍為起源于外壁的韌性斷裂裂紋，但從斷口上存在碾壓痕判斷，折斷前經(jīng)受了交變載荷作用。

圖1.3 斷口特征示意圖

綜合上述宏觀觀察結(jié)果，初步判斷該蒸汽管斷裂為高應(yīng)力作用下的韌性剪切斷裂。在高應(yīng)力作用下，裂紋首先起裂于外壁焊瘤處，形成區(qū)域1的裂紋，并繼續(xù)受到反復(fù)的高應(yīng)力作用（交變載荷），使區(qū)域2、區(qū)域3裂紋萌生并不斷擴(kuò)展，直至完全斷裂，管線折斷。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)來樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1.2。分析結(jié)果顯示，管線化學(xué)成分符合20#鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1.2 化學(xué)成分分析結(jié)果（wt%）

1.3 機(jī)械性能及硬度檢測

對(duì)來樣取樣進(jìn)行機(jī)械性能及硬度檢測，結(jié)果見表1.3至表1.5。分析結(jié)果顯示，管線的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、沖擊功均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)值，分析認(rèn)為系管線變形產(chǎn)生冷作硬化所致。

表1.3 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表1.4 常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表1.5 硬度檢測結(jié)果（HB）

1.4 金相分析

在來樣遠(yuǎn)離斷口母材和近斷口母材取樣進(jìn)行光學(xué)金相觀察，圖1.4為遠(yuǎn)離斷口母材金相組織、圖1.5為斷口旁邊母材金相組織，兩個(gè)部位組織無明顯區(qū)別，均為鐵素體+珠光體組織，晶粒度10-11級(jí)，為20#鋼正火組織。

圖1.5 斷口旁邊母材金相組織

圖1.4 遠(yuǎn)離斷口母材金相組織

1.5 電鏡掃描分析

為了進(jìn)一步分析斷裂的過程和特征，對(duì)斷口進(jìn)行了電鏡掃描分析，圖1.6為電鏡掃描部位，圖1.7至圖1.9為電鏡掃描分析結(jié)果。

圖1.6 電鏡掃描部位

圖1.7區(qū)域1裂紋源區(qū)斷口的微觀形貌，可見裂紋啟裂于焊瘤處，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，且斷口呈撕裂的韌窩特征。

圖1.7 區(qū)域裂紋源微觀形貌

圖1.8為區(qū)域2裂紋源區(qū)斷口的微觀形貌，可見裂紋啟裂于外表面，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，且斷口呈撕裂的韌窩特征。圖1.9為區(qū)域3裂紋源區(qū)斷口的微觀形貌，可見裂紋啟裂于內(nèi)表面，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，且斷口呈撕裂的韌窩特征

圖1.8 區(qū)域2裂紋源區(qū)微觀形貌

圖1.9 區(qū)域3裂紋源區(qū)微觀形貌

2 分析討論

2.1 宏觀觀察表明，斷裂口及附近管段發(fā)生了塑性變形，已成橢圓狀，長軸直徑為93mm，短軸直徑為80mm，斷口呈45o角，為典型剪切斷口，斷口可分為3個(gè)區(qū)域。初步判斷該蒸汽管斷裂為高應(yīng)力作用下的韌性剪切斷裂，在高應(yīng)力作用下，裂紋首先起裂于外壁焊瘤處，形成區(qū)域1的裂紋，并繼續(xù)受到反復(fù)的高應(yīng)力作用（交變載荷），使區(qū)域2、區(qū)域3裂紋萌生并不斷擴(kuò)展，直至完全斷裂，管線折斷。

2.2 化學(xué)成分分析結(jié)果表明，該管線化學(xué)成分符合20#鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 機(jī)械性能及硬度檢測表明，該管線的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、沖擊功均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)值，分析認(rèn)為系管線變形產(chǎn)生冷作硬化所致。

2.4 金相組織觀察結(jié)果表明， 材料組織為鐵素體+珠光體組織，晶粒度10-11級(jí)，為20#鋼正火組織。

2.5、電鏡掃描分析表明，區(qū)域1裂紋啟裂于焊瘤處，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，斷口呈撕裂的韌窩特征；區(qū)域2裂紋啟裂于外表面，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，斷口呈撕裂的韌窩特征，局部存在碾壓痕；區(qū)域3裂紋啟裂于內(nèi)表面，可觀察到以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋，斷口呈撕裂的韌窩和脆性解理斷裂特征，高倍下可觀察到疲勞輝紋?？梢妳^(qū)域1裂紋斷口為撕裂的韌窩特征，而區(qū)域2、3除了韌窩特征外，還存在碾壓痕和疲勞輝紋，進(jìn)一步說明區(qū)域1裂紋為高應(yīng)力作用下首先發(fā)生開裂的裂紋，區(qū)域2、3裂紋為受多次交變載荷作用而折斷。

綜合以上分析，認(rèn)為該蒸汽管斷裂為高應(yīng)力作用下的韌性剪切斷裂。在高應(yīng)力作用下，裂紋首先起裂于外壁焊瘤處，形成區(qū)域1的裂紋，并繼續(xù)受到反復(fù)的高應(yīng)力作用（交變載荷），使區(qū)域2、區(qū)域3裂紋萌生并不斷擴(kuò)展，直至完全斷裂，管線折斷。結(jié)合該管線為在引蒸汽過程中發(fā)生斷裂，推測造成該管線斷裂的主要原因?yàn)橐^快，產(chǎn)生水擊所致，次要原因是斷裂部位存在焊瘤，為裂紋在該部位萌生創(chuàng)造了條件。

3 結(jié)論

該科煉化煉油三部硫磺裝置蒸汽管斷裂為高應(yīng)力作用下的韌性剪切斷裂。在高的沖擊應(yīng)力作用下，首先產(chǎn)生起裂于外壁焊瘤處的破裂，并繼續(xù)受到反復(fù)的高應(yīng)力作用（交變載荷），萌生新的裂紋并不斷擴(kuò)展，直至管線完全折斷。

造成該管線斷裂的主要原因?yàn)橐^快，產(chǎn)生水擊所致，次要原因是斷裂部位存在焊瘤，為裂紋在該部位萌生創(chuàng)造了條件。

4 建議

4.1 裝置引蒸汽前要充分曖管和排水，且控制引汽速度，防止產(chǎn)生水擊。

4.2 加強(qiáng)施工管理，不能在管線上引弧或焊接支撐。