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    CF-62鋼制壓力容器中的裂紋分析與預防措施

    2018-12-18   來源:   點擊數:36次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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       中國鋼管信息港本報訊:人們對這類鋼的認識在深化。設備安裝、制造以及使用中的問題也在暴露,目前這類鋼制設備的裂紋屢有發生。本文列舉筆者所參與或了解的石油化工和燃氣行業中的某些07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR鋼制球罐檢驗及失效分析的實例與同行商榷,以求鋼材及制造工藝的完善化,最終達到設備能長周期安全運行的目的。
      
      1. CF-62鋼制設備的應力腐蝕
      
      應力腐蝕是指金屬材料在某些介質中,由于拉應力的作用造成的一種延遲破裂。其形成必須有一定的金屬組織、應力和介質在特定條件下的聯合作用。它可能發生在母材上,也可能發生在焊縫上,但因焊接接頭粗晶粒的存在以及不可避免的殘余應力影響,所以應力腐蝕開裂出現機率高的仍是焊接接頭及鄰近母材。
      
      調質型CF-62鋼的金相組織主要是板條狀的回火馬氏體、回火索氏體和貝氏體。其所占的比例隨板材厚度方向而異,鋼板表面的回火馬氏體和索氏體占2/3以上,因此,鋼材(特別是表層)的強度和硬度較高。
      
      對低合金鋼來說,濕H2S環境與含O2及CO2的液態氨環境會引起材料的應力腐蝕開裂。CF-62鋼的強度、硬度較高,在含有腐蝕介質的環境中,容易形成應力腐蝕開裂。
      
      例一:天津石化公司石化二廠1000m3丙烯球罐的應力腐蝕開裂。
      
      該球罐于1995年由天津球罐聯營工程公司設計、金州石化機械廠壓片、鞍山壓力容器廠現場組裝,組裝后未進行整體熱處理。其設計壓力2.16MPa、主體材質為07MnCrMoVR、規格φ12300×36mm。1996年1月投入使用,1998年5月該球罐因混裝H2S嚴重超標的粗丙烯(H2S含量達上千ppm),在很短時間內上溫帶縱縫出現穿透性裂紋而泄漏,開罐檢查發現球罐內壁有數百條典型的應力腐蝕裂紋。
      
      例二:寧夏化工廠甲醇水分離器的應力腐蝕開裂。
      
      甲醇水分離器是合成氨裝置中的重要設備,其設計壓力為8.4MPa、操作壓力為7.8MPa,操作溫度為50~-40℃。介質主要是H2、CO2、CO、CH3OH等。其結構為兩段筒節和上、下封頭組成,規格為φ1800×44×4300mm,材質為07MnNiCrMoVDR。設備于1994年設計,1995年制造,1996年初投用。
      
      1996年10月2日該設備在正常操作運行時發生突發性爆炸起火。蘭石所對其進行了失效分析:雖然裂紋是在下筒節鼓肚區附近具有密集氣孔的長度×深度為240×30mm的陳舊斷口前沿15mm處啟裂,并沿HAZ粗晶區擴展,最終甲醇水分離器因強度不足而撕裂、泄漏并引起化學爆炸。但是在設備鼓肚前鋼材已存在嚴重的應力腐蝕損傷,檢驗表明:沿縱縫近縫區以鼓肚部位為中心的殘片斷面內表面存在長約1m、深3~6mm的晶間開裂。這是因介質中的H2S含量嚴重偏離設計要求(小于50ppm),有時達到1000ppm。
      
      中國鋼管信息港本報訊:該球罐的設計壓力:1.724Mpa,規格:φ10700×44mm,材質:07MnCrMoVR,工作介質為無水液氨。1998年4月投入運行。1999年3月開罐檢驗發現:內表面焊縫有3條裂紋,熱影響區有1條裂紋,母材有17處裂紋(分布于整個球皮);外表面焊縫有1條裂紋,熱影響區有3條裂紋,母材有2處,裂紋主要分布在球罐上半部。經金相和材料檢驗,內壁的裂紋具有明顯的應力腐蝕裂紋特征。
      
      例四:大慶石化公司1500m3丙烯球罐的裂紋
      
      該球罐規格為φ14300×44mm,材質:07MnCrMoVR,1999年4月投入使用。2001年11月進行開罐檢驗時發現:下極板有三條長30~40mm、深1mm的裂紋,取樣管角焊縫內壁有一處75×4mm的表面裂紋(初步判斷為應力腐蝕裂紋),打磨至4mm時消除。
      
      總之07MnCrMoVR系列鋼由于強度、硬度和應力水平比較高,對應力腐蝕比較敏感。因此對可能發生濕硫化氫環境與含氧及二氧化碳的無水液態氨環境,應避免采用07MnCrMoVR系列鋼。
      
      對已投用的CF-62鋼制壓力容器,只要其使用環境是液化石油氣、無水液氨,在用檢驗時,除采用正常的檢驗方法外,內壁應采用濕熒光磁粉檢測,必要時采用適當的表面涂層的對內壁進行防護。對已開裂的容器,一定要分析裂紋產生的機理,進行安全與壽命評估后,再修復使用。
      
      2. CF-62鋼的焊后熱處理及再熱裂紋
      
      該類鋼的含碳量低(C≤0.09%),其高強度是通過鋼中加入Cr、Mo、V等碳化物形成元素的彌散強化以及添加B等淬透性強的元素來達到的。在滿足高強度的同時又涉及到兩個問題:一是焊后整體熱處理;二是再熱裂紋。
      
      2.1 焊后熱處理的最大厚度限制
      
      按我國規范,對于σs≥490Mpa的鋼材,一般情況下焊后應進行消除應力處理(SR處理)。而按日本JISB8243-1981《壓力容器的構造》中規定:球殼壁厚在32mm以下的焊接接頭可不進行SR處理。壁厚在32~38mm,若進行95℃以上的預熱也可不作SR處理。日本高壓氣體安全協會1980年《高強度鋼使用規范》也有同樣的規定。自上世紀70年代我國引進的數十臺CF-62鋼球罐(最大厚度達36~38mm)均未進行焊后熱處理。
      
      對國產這類鋼,尤其是厚度為44~46mm的乙烯、丙烯球罐等工程實施中,仍采取焊后熱處理。GB12337《鋼制球形儲罐》也規定:對厚度大于38mm的07MnCrMoVR系列鋼應進行焊后熱處理(565±20℃),但這又涉及再熱裂紋的問題。
      
      2.2 再熱裂紋
      
      CF-62鋼含Cr、Mo、V等元素,這些元素以合金碳化物的形式強化基體。但在焊接時,臨近熔合線的母材被加熱到1300℃左右,鋼中的合金碳化物被溶解,焊后來不及析出,而在隨后的SR處理過程中,這些合金碳化物在晶內彌散析出,從而強化了晶內,使應力松弛時的蠕變變形集中于HAZ粗晶界。與此同時,片條狀的碳化物、硼和雜質元素易偏析于晶界,在拘束力較大的場合下,加速鋼材沿晶界開裂,這就是焊后整體熱處理過程中產生的再熱裂紋。
      
      上世紀80年代中期,CF鋼應用研究課題協作組對鋼材再熱裂紋敏感性進行過試驗。
      
      北京鋼研總院采用IIW(國際焊接學會)推薦的高溫緩慢拉伸法在Gleeble—1500熱模擬試驗機上,將試樣加熱到1300℃左右(模擬HAZ粗晶區),然后再經SR處理(試驗時采取580℃、600℃、620℃),同時緩慢加載拉伸至斷裂,最后測定斷面收縮率(Ψ),按A.G.Vinckier的評定標準進行評定。結果表明:國產CF-62鋼的再熱裂紋敏感性介于“非常敏感”和“敏感”之間。
      
      中國鋼管信息港本報訊:通過測定HAZ粗晶區再熱裂紋敏感溫度以及實際SR溫度下的臨界應力評定鋼材的再熱裂紋敏感性。經測定國產CF-62鋼的敏感溫度為650℃(日本鋼材則為630℃),在敏感溫度下的臨界應力僅為13.8kgf/mm2,結果表明:該類鋼屬于對再熱裂紋敏感的鋼種。
      
      上述兩種試驗均證實:該鋼對再熱裂紋敏感,若將SR處理溫度降低至580℃,則其面縮率和臨界斷裂應力均大大提高,從而不會產生再熱裂紋。一些工程建設就是按這種推薦方法實施SR處理的,但有的球罐按此推薦仍未能避免再熱裂紋,實例如下:
      
      開罐檢驗發現在球罐內、外壁分布200多條表面裂紋,以赤道帶環縫居多。大環縫缺陷返修后,對赤道帶環縫進行整體熱處理。現場經多次焊接修復和幾次熱處理均不同程度發現了多條在HAZ粗晶區呈沿晶開裂的裂紋(見照片1~2)。最大裂紋長度達到2m,最大深度為20mm。
      
      照片1為A處的沿下熔合線的裂紋全貌,照片1-1為該裂紋A-3處的局部放大。照片2為I處的裂紋全貌,照片2-1、2-2和2-3為該裂紋的放大。從局部放大的金相照片可看出:這些均屬典型的再熱裂紋。
      
      中國鋼管信息港本報訊:按07MnCrMoVR系列鋼的壁厚情況,目前球罐實際安裝時采用焊后熱處理和不熱處理兩種方式。現場檢測與失效分析的一些數據表明:無論是否熱處理,這類球罐的殘余應力水平都比較高。       如北京燕山石化公司2000m3液化石油氣球罐,設計壓力:1.77MPa;材質:07MnCrMoVR;規格:ф15700×38mm;焊后進行整體熱處理。1998年投產運行。       1999年開罐檢驗時,發現多處缺陷,對其進行了返修和局部熱處理。與此同時進行殘余應力測試:下極板焊縫返修前最大殘余應力達到0.90σS;返修后最大殘余應力達到1.14σS;熱處理后最大殘余應力達到0.90σS。上極板環焊縫返修前最大殘余應力達到0.58σS;返修后最大殘余應力達到0.88σS。       福建煉化公司2000m3的G2071、G-2073丙烯球罐,當熱處理溫度為545℃左右時,北京工業大學對同一部位熱處理前后的殘余應力測試結果表明:該熱處理溫度對殘余應力分布狀況及數值基本無影響,仍保持較高的水平。熱處理后殘余應力在0.89σS以內,水壓試驗后殘余應力在0.83σS以內。       天津石化公司石化二廠1000m3丙烯球罐組裝后未作整體熱處理。1998年開罐檢驗時發現球罐內壁有大量的的應力腐蝕裂紋。我所在其缺陷尚未消除的情況下,對其進行殘余應力測試:上、下極板Y型接頭和T型接頭的最大殘余應力達到0.87σS;上、下小環丁字型焊縫的最大殘余應力達到0.70σS。       對于3000m3以上的這類鋼制天然氣球罐,組裝后一般不進行整體熱處理,殘余應力也基本保持在較高的水平。如上海天然氣儲配站3500m3天然氣球罐,壁厚38mm,經測試上極板最大殘余應力達到0.97σS,下極板最大殘余應力達到0.88σS。北京10000m3天然氣球罐,壁厚34mm,1989年建成后進行過殘余應力測試,其最大殘余應力的平均值達到0.77σS。北京四臺5000m3天然氣球罐,其最大殘余應力達到0.69~0.83σS       目前球罐的制造安裝標準規范如GB12337、GB50094等對殘余應力水平沒有相應的數值要求。但中厚板殘余應力水平較高的部位,在使用中產生表面裂紋的可能性很大。
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