裂解爐對(duì)流段20g蒸汽主管爆裂安全性分析

韓輝 王祥 張禮敬

（1江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210042；2南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，江蘇 南京210009）

高溫蒸汽管線廣泛應(yīng)用于石化、熱電行業(yè)的加熱爐、裂解爐等設(shè)備上，是主要的高溫部件之一，其安全運(yùn)行是裝置可持續(xù)運(yùn)行的重要保證。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)老舊鍋爐爐管采用的材料為20#碳鋼（以下簡(jiǎn)稱20g），其使用溫度為280-350℃，最高內(nèi)壓為15.5-18MPa[1]。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，伴隨運(yùn)行溫度、壓力的波動(dòng)，蒸汽管線的安全可靠性逐漸降低，管材微觀組織會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的增加而劣化，通常會(huì)產(chǎn)生碳化物球化、珠光體分散、蠕變損傷等情況。如不能及時(shí)對(duì)管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)，可能會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，若盲目更換管道可能會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此，做到安全與經(jīng)濟(jì)統(tǒng)籌兼顧具有重大意義。

本文以南京某烯烴廠裂解爐對(duì)流段蒸汽主管爆裂事故著手，對(duì)20g蒸汽主管的爆裂原因進(jìn)行安全性分析，并對(duì)其余同工況的蒸汽管道繼續(xù)服役的安全性展開(kāi)研究，從而為其降低事故風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，科學(xué)指導(dǎo)管道維修和安全生產(chǎn)管理提供借鑒。

1 事故概況

裂解爐對(duì)流段蒸汽主管內(nèi)輸送的是用于稀釋裂解原料的高溫水蒸汽。該蒸汽主管材料為20g，規(guī)格為Φ165mm×14mm，管內(nèi)蒸汽溫度為320℃，壓力14MPa，到發(fā)生對(duì)流段蒸汽主管爆裂而緊急停爐時(shí)，已經(jīng)累技術(shù)運(yùn)行達(dá)130000h。

1.1 已爆裂蒸汽管道

1.2 管道流向及爆裂區(qū)示意圖

圖1 20g蒸汽主管

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，如圖1a所示，爆管破口粗脹，張口呈喇叭狀，破口長(zhǎng)約1m，寬約0.5m；開(kāi)裂兩端呈典型的撕裂狀；破口邊緣銳利，有明顯減薄，呈刀刃型斷口；破口內(nèi)壁光滑。管道內(nèi)高溫蒸汽流向以及爆裂區(qū)的相對(duì)位置如圖1b所示。同時(shí)，該裂解爐還有同樣工況下的5根蒸汽總管。

為了分析該工況下的20g蒸汽主管爆裂失效的原因以及其余同工況的蒸汽管道繼續(xù)服役的安全性，本文選擇在壁厚減薄處及開(kāi)裂邊緣撕裂處分別取樣，分別進(jìn)行材料組織結(jié)構(gòu)分析及力學(xué)性能研究。

2 金相實(shí)驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)仍將珠光體球化等級(jí)作為高溫主蒸汽管道判廢依據(jù)。本文采用金相實(shí)驗(yàn)對(duì)爆裂爐管的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判定爆裂爐管的球化等級(jí)。

2.1 實(shí)驗(yàn)取樣

如圖2a所示，實(shí)驗(yàn)材料在壁厚減薄處（區(qū)域A）和開(kāi)裂邊緣撕裂處（區(qū)域B）取樣。如圖2b所示，在開(kāi)裂處未見(jiàn)到明顯的腐蝕現(xiàn)象，可以排除局部腐蝕導(dǎo)致蒸汽主管壁厚減薄的因素。

圖2 20g蒸汽主管爆裂斷口形貌

2.2 測(cè)試分析

2.2.1 20g基本情況介紹

20g是蒸汽管道廣泛應(yīng)用的一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其正常金相組織是鐵素體和片狀珠光體，從而獲得良好的力學(xué)性能。但是，片狀珠光體是一種不穩(wěn)定的組織，其表面積大，界面能高，在長(zhǎng)期高溫下工作時(shí)，原子活動(dòng)力增強(qiáng)，擴(kuò)散速度增加，片狀滲碳體便逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹闋睿俜e聚成大球團(tuán)，產(chǎn)生珠光體球化，從而使材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降。同時(shí)，由于球狀珠光體對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用較片狀珠光體小，所以會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)啟動(dòng)源[2]。

2.2.2 爆裂管道的金相組織

在材料化學(xué)成分一定的前提下，其力學(xué)性能主要取決于微觀組織的變化。對(duì)區(qū)域A和B處的取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，其含量均符合《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》（GB5310-2008）規(guī)定。

圖3 取樣區(qū)域B顯微組織

在區(qū)域B處取樣，進(jìn)行金相分析。由圖3可知，裂解爐對(duì)流段20g蒸汽主管在14MPa，320℃條件下運(yùn)行130000小時(shí)后顯微組織發(fā)生退化，珠光體不再以層片狀的鐵素體和滲碳體交錯(cuò)存在，而是珠光體發(fā)生了輕度球化，珠光體區(qū)域中的碳化物開(kāi)始分散，并逐漸向晶界擴(kuò)散，珠光體形態(tài)尚明顯。珠光體球化等級(jí)為3級(jí)，考慮安全裕量，判定為3.5級(jí)球化。

圖4 取樣區(qū)域A減薄處顯微組織

圖5 取樣區(qū)域A較厚處顯微組織

在區(qū)域A處取樣，進(jìn)行金相分析。由圖4和圖5鼓脹處的顯微形貌可以看出，爐管材料在塑性變形過(guò)程中，鐵素體和珠光體均發(fā)生了嚴(yán)重的變形，從母材中的不規(guī)則形狀變成了鏈條狀，并具有向晶界聚集的傾向。鐵素體和珠光體的拉伸方向與其受力方向一致。同時(shí)，破裂處的珠光體也有明顯的球化現(xiàn)象。

可以得出：按照《碳鋼石墨化檢驗(yàn)及評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T786-2001），該20g爐管呈3.5級(jí)球化，屈服強(qiáng)度指標(biāo)下降7.5-12.5%；管道在長(zhǎng)期使用中產(chǎn)生了局部塑性變形，致使其承壓能力下降。

3 拉伸實(shí)驗(yàn)

根據(jù)《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)》（GB/T228-2010）對(duì)爆裂爐管在圖2a中的A區(qū)域處取2組試樣，每組3根，分為Sample-1和Sample-2兩組分別進(jìn)行常溫（25℃）和高溫（320℃）拉伸實(shí)驗(yàn)，之后取平均值。拉伸結(jié)果如圖6所示。

圖6 斷裂試樣的拉伸曲線

圖6中，兩組試樣的拉伸曲線重合性較好，說(shuō)明320℃高溫下20g的力學(xué)性能基本穩(wěn)定。20g斷裂試樣的屈服強(qiáng)度為290MPa左右，與標(biāo)準(zhǔn)中提供的數(shù)據(jù)（縱向245MPa）比較，可知斷裂后20g試樣的屈服強(qiáng)度增加了40-50MPa。這與所取試樣的壁厚（10mm）減薄嚴(yán)重，與設(shè)計(jì)壁厚（14mm）及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的壁厚（13-14mm）相差較大有關(guān)。

可以得出：20g爆裂爐管的高溫力學(xué)性能并未發(fā)生明顯變化。

由金相分析和拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知：3.5級(jí)球化并沒(méi)有使20g管道的高溫屈服強(qiáng)度產(chǎn)生明顯下降。這與部分學(xué)者認(rèn)為的珠光體球化使鋼的高溫屈服強(qiáng)度降低顯著相悖。其原因的可能性分析如下：

3.1 材料力學(xué)性能的惡化不是單純受珠光體組織球化的影響。

3.2 珠光體球化等級(jí)判定過(guò)于保守。

3.3 試樣選取位置不當(dāng)。

3.4 同時(shí)說(shuō)明，國(guó)內(nèi)將3級(jí)球化作為蒸汽管道判廢臨界點(diǎn)過(guò)于保守。

因此，推測(cè)爐管爆裂原因：爐管因長(zhǎng)期高溫運(yùn)行發(fā)生輕度珠光體球化，加之主管匯汽口迎汽面管壁因溫度波動(dòng)加快了蠕變損傷的積累，進(jìn)而產(chǎn)生局部塑性變形，承壓能力下降。

4.20 g蒸汽主管剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將達(dá)到3.5級(jí)球化的20g蒸汽主管予以報(bào)廢過(guò)于保守，缺乏經(jīng)濟(jì)性。因此，本文通過(guò)剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)對(duì)存在3.5級(jí)球化缺陷的蒸氣管道是否能在一定運(yùn)行壓力下繼續(xù)服役的安全性進(jìn)行研究，以科學(xué)指導(dǎo)管道維修和工業(yè)安全生產(chǎn)管理。

顏世華[4]對(duì)已達(dá)3-4級(jí)球化且有局部減薄缺陷的20g管道在350℃下運(yùn)行的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果表明：通過(guò)極限內(nèi)壓的推算判斷管道繼續(xù)服役的安全性是可以接受的；同時(shí)，也指出對(duì)已達(dá)3-4級(jí)球化的管道進(jìn)行報(bào)廢過(guò)于保守。

通過(guò)公式（1）[5]計(jì)算極限載荷：

式中：P為極限內(nèi)壓，MPa；σ0.2為材料屈服強(qiáng)度，MPa；為管道外徑，mm；ri為管道內(nèi)徑，mm。

可知3.5級(jí)球化的20g管道在350℃的標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度σ0.2=230MPa[3]。因此，可以得到規(guī)格為φ165mm×14mm的管道達(dá)到3.5級(jí)球化后的極限內(nèi)壓為P=41MPa。而本文研究的管道運(yùn)行溫度只有320℃，且運(yùn)行壓力14MPa遠(yuǎn)小于極限內(nèi)壓。

可以得出：達(dá)到3.5級(jí)球化的20g蒸汽主管，在限制超溫超壓條件下，其繼續(xù)服役的安全性是可以接受的。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：20g蒸汽主管在長(zhǎng)期使用過(guò)程中發(fā)生3.5級(jí)球化，加之主管匯汽口迎汽面管壁因溫度波動(dòng)而加快蠕變損傷的積累，致使管道發(fā)生局部塑性變形、減薄，承壓能力下降，在壓力和溫度的共同作用下爆裂失效；同時(shí)，將珠光體球化等級(jí)作為高溫主蒸汽管道判廢依據(jù)過(guò)于保守且不精確。

4.2 通過(guò)剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)表明：達(dá)到3.5級(jí)珠光體球化的20g管道在350℃時(shí)的極限內(nèi)壓為41MPa，遠(yuǎn)高于320℃下的運(yùn)行壓力14MPa，因此，達(dá)到3.5級(jí)球化的20g蒸汽主管，在限制超溫超壓條件下，其繼續(xù)服役的安全性是可以接受的。

4.3 研究結(jié)果表明：其余20g蒸汽鍋爐爐管可以繼續(xù)安全服役，但要加強(qiáng)安全檢查、監(jiān)測(cè)，避免溫度、壓力的激烈波動(dòng)，嚴(yán)禁超溫超壓運(yùn)行，并且蒸汽主管匯汽段應(yīng)列為管道安全管理的重點(diǎn)部位。

[1]高鋒，劉暉，樊玉光等.蒸汽管道剩余壽命評(píng)估方法評(píng)述[J].腐蝕與防護(hù)，2008，(05)：295-298.

[2]徐鵬，艾志斌.20g鋼珠光體球化對(duì)材質(zhì)損傷程度的試驗(yàn)研究[J].壓力容器，2003，20(12)：12-14.

[3]DL/T786-2001.碳鋼石墨化檢驗(yàn)及評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]顏世華，某燃油鍋爐水冷壁管繼續(xù)服役可行性研究[碩士論文D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]徐秉業(yè)，陳森燦.塑性理論簡(jiǎn)明教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1981.