30萬噸合成氨轉(zhuǎn)化爐對(duì)流蒸汽過熱管破裂分析

時(shí)間：2013-04-18 16:11:57 來源：作者：

30萬噸合成氨工程是大型化肥設(shè)備，失效蒸汽過熱管采用12Cr3MoVSiTiB+76×8mm無縫管制成，鋼管經(jīng)過正火-回火-冷矯直-切頭等制造工藝。為設(shè)備安全使用，在安裝后對(duì)其過熱蒸汽管先后進(jìn)行兩次水壓試驗(yàn)。第一次試驗(yàn)為21.5kPa保壓24h，試驗(yàn)正常，第二次試驗(yàn)時(shí)當(dāng)壓力加至19.8kPa時(shí)，其中一根管子發(fā)生爆破，破口呈貫穿性裂紋。為確保工程質(zhì)量，分析破壞原因，對(duì)所有已安裝的過熱管進(jìn)行無損檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)還有少數(shù)管子有裂紋，選擇有裂紋的管子和無缺陷的管子各一根，在聲發(fā)射檢測(cè)儀監(jiān)視下進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。無裂紋的正常管子在117.6kPa以上時(shí)聲發(fā)射預(yù)報(bào)開裂訊號(hào)，而探傷有裂紋的管子當(dāng)壓力加至49kPa時(shí)聲發(fā)射檢測(cè)儀發(fā)現(xiàn)有信號(hào)，保壓半小時(shí)，此過程中不斷有發(fā)射聲產(chǎn)生，半小時(shí)后加壓，升至92kPa時(shí)管子爆破。

正常管子當(dāng)壓力至160kPa時(shí)發(fā)生破裂，其爆破口形貌如圖1所示，破口有明顯的塑性變形，破口呈魚嘴狀斷口，經(jīng)電子顯微鏡觀察，斷口為韌窩，見圖2，該斷口屬正常的應(yīng)力過載爆破斷口。

對(duì)無損檢測(cè)有裂紋的斷口，爆破口無塑性變形特征，破口處有一呈紡錐形的深褐色區(qū)，其表面已氧化，該區(qū)長(zhǎng)度為5.5cm，說明屬老裂紋，位于老裂紋處沿蒸汽管外壁有翹皮等宏觀缺陷，老裂紋區(qū)兩端則是具有金屬光澤的新鮮斷口，其上有人字形條紋自老裂紋發(fā)散，斷口形貌如圖3所示。

用透射電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察，分別在斷口的老裂紋區(qū)、人字紋區(qū)和老裂紋與人字紋的交界區(qū)作觀察，在老裂紋區(qū)其斷口形貌為具有河流狀花樣的解理斷裂。由于該區(qū)開裂時(shí)間較久，微觀斷口形貌上除河流狀花樣外，還有氧化特征，見圖4，其上分布有細(xì)小的氧化腐蝕產(chǎn)物。人字紋區(qū)斷口微觀形貌也為河流狀解理斷裂，見圖5。兩部分區(qū)的交界處用放大鏡觀察可看到有約2mm寬的較平坦區(qū)，其微觀斷口形貌為韌窩，這部分區(qū)對(duì)照試驗(yàn)時(shí)隋況，應(yīng)屬于壓力在49kPa時(shí)保壓半小時(shí)過程中的裂紋擴(kuò)展區(qū)，電鏡照片見圖6。

圖1 0.5X

圖號(hào)：圖1

說明：正常管壓力爆破試驗(yàn)斷口形貌，爆破口處有較大的塑性變形特征。

金屬材料在常溫下發(fā)生解理斷裂，必須有很高的外應(yīng)力作用。根據(jù)以上試驗(yàn)分析結(jié)果，當(dāng)壓力至49kPa時(shí)管子裂紋以韌窩型擴(kuò)展，半小時(shí)擴(kuò)展1～2mm長(zhǎng)度，當(dāng)壓力升至92kPa時(shí)產(chǎn)生快速的解理斷裂。而老裂紋區(qū)斷口也為解理斷裂，因此可以推斷老裂紋形成時(shí)作用在管子上的外應(yīng)力很高，此時(shí)起始裂紋(包括材料中的缺陷)遠(yuǎn)小于爆破試驗(yàn)時(shí)的原始裂紋(5.5cm長(zhǎng)的老裂紋)，故需產(chǎn)生老裂紋區(qū)解理斷裂的外應(yīng)力勢(shì)必大于92kPa。蒸汽管安裝后的兩次水壓試驗(yàn)壓力僅20kPa左右，故不可能在兩次水壓試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生裂紋。從管子的加工制造工藝分析，在熱處理后冷矯直過程中要承受巨大的矯直應(yīng)力，因此可以推斷，造成管子產(chǎn)生老裂紋的主要原因是管子冷矯過渡。

圖2 TEI 4000X

圖號(hào)：圖2

說明：圖1中管子斷口透射電鏡復(fù)型圖像，由于爆破劇烈變形，韌窩被拉長(zhǎng)，屬撕裂韌窩，說明該斷口為正常的壓力爆破斷口。

圖3 0.5×

圖號(hào)：圖3

說明：經(jīng)探傷有老裂紋的管子爆破斷口形貌，圖中呈紡錘形的黑色區(qū)為老裂紋(箭頭所指)。顏色較淺的斷口區(qū)為本次爆破時(shí)形成的新斷口，其上有人字形條紋，“人”字的頭部指向老裂紋區(qū)，說明爆破時(shí)從老裂紋區(qū)開始。外壁有翹皮缺陷。

圖4 TEI 4000X

圖號(hào)：圖4

說明：為圖3中老裂紋斷口區(qū)電鏡圖像。具有河流狀花樣，屬解理斷裂。其上還有氧化腐蝕引起的麻點(diǎn)，這是因?yàn)榱鸭y開裂時(shí)間較長(zhǎng)，裂紋內(nèi)受空氣中水汽的浸蝕所致。

圖5 TEI 4000X

圖號(hào)：圖5

說明：為圖3中斷口的人字紋區(qū)斷口電鏡圖像。也為河流狀花樣的解理斷裂，但該部分為爆破試驗(yàn)時(shí)的開裂區(qū)，故斷口無氧化腐蝕現(xiàn)象，河流花樣清晰可見。

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