受火壓力管道爆破斷裂原因分析[1]

文 /張 嵐 石生芳

某石油化工企業(yè)安置的超臨界乙烯輸送相關(guān)管線(xiàn)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。受火的管道是否可以繼續(xù)使用？為保障受火化工裝置能盡快地恢復(fù)安全運(yùn)行，相關(guān)人員在對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了細(xì)致檢查后發(fā)現(xiàn)：多條管線(xiàn)爆破斷裂，爆破的出口管道規(guī)格為Φ219 mm×13 mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼，橫向斷裂，其中一段飛離約38 m，并發(fā)生塑性變形；另一半管道的端部管段被爆成扁平狀。本文針對(duì)乙烯輸送相關(guān)管道受火后材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并對(duì)管道的爆炸斷裂失效原因進(jìn)行分析。

一、事故現(xiàn)場(chǎng)檢查和取樣

爆炸失效的管道為DN200，壁厚為13 mm。該段管道原來(lái)是在管架上，發(fā)生爆炸后靠后的管道沖出管架，掉在相反方向的地上。爆炸發(fā)生處的管道，發(fā)現(xiàn)中間段已經(jīng)由圓形變平（掉到地上而變形），前后兩部分都基本保持圓筒形。

在徑向斷口上，管道最薄處為3 mm；在軸向斷口上，管道最薄處為6.5 mm。從宏觀上看，有明顯的塑性變形和頸縮現(xiàn)象，說(shuō)明管道屬于明顯的塑性過(guò)載斷裂。

在爆炸處的前后兩端管道上各取一部分材料進(jìn)行分析，考慮到這兩段管道都已受爆炸影響，特在間隔爆破口約100 m處再取一段未受爆炸影響的管道進(jìn)行分析。

二、化學(xué)成分和力學(xué)性能分析

1. 化學(xué)成分分析

按照GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒紅外吸收法（常規(guī)法）》和GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)管道材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，并與GB 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》中該管道相同牌號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分做對(duì)比。

表1 受損與標(biāo)準(zhǔn)管道化學(xué)成分對(duì)比表 %

從表1中可以看出，該材料磷（P）含量略高于標(biāo)準(zhǔn)，其他元素含量都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但P含量的微量偏高對(duì)宏觀力學(xué)性能沒(méi)有任何影響。雖這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)C和P都提出了更高的要求，但在螺栓標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)P的要求為≤0.045%。

2. 拉伸性能

按照GB/T 2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試樣取樣位置和試樣制備》對(duì)兩個(gè)管道進(jìn)行取樣。按照GB/T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行常溫拉伸試樣，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃～26 ℃。試樣尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 試樣尺寸，mm

試驗(yàn)機(jī)器為Instron 8800拉伸試驗(yàn)機(jī)。2%應(yīng)變前，加載速率為1 mm/min；2%應(yīng)變后，加載速率為1.5 mm/min。試驗(yàn)得到的兩部分管道拉伸性能如表2，同時(shí)與GB 14976-2012《流體輸送用不銹鋼管》中該管道相同牌號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能作對(duì)比。

表2 管道試樣拉伸性能與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

管道飛離部分由于沒(méi)有受到大火的影響，所以強(qiáng)度和塑性都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而仍在管架上的管道由于受到大火高溫的影響，強(qiáng)度有了一定程度的降低。未受火影響的一段管道的拉伸性能符合規(guī)定要求，試樣拉斷后呈明顯的伸長(zhǎng)和頸縮現(xiàn)象，說(shuō)明材料的塑性非常好。

3. 硬度

按照GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)管道邊材進(jìn)行硬度檢測(cè)，得到硬度值（見(jiàn)表3）。比較結(jié)果可見(jiàn)，受火前后管道邊材硬度未發(fā)生變化。

表3 管道材料硬度值表

4. 金相分析

通過(guò)在離爆炸點(diǎn)100 m左右的管道上取樣進(jìn)行金相分析，從而了解管道材料的原始組織形貌。圖2為離爆炸點(diǎn)100 m左右的管道軸向剖面金相組織，它的晶粒度等級(jí)為7級(jí)。圖3為一段飛離管道上材料的縱向剖面金相組織圖，可以看到晶粒比較粗大，為5級(jí)。這是由于管道材料受到高溫影響，晶粒發(fā)生長(zhǎng)大。

圖2 離爆炸點(diǎn)100 m左右的管道金相組織

圖3 飛離的一段管道的金相組織

三、原始斷口分析

1. 縱向斷口掃描電子顯微鏡（SEM）

縱向斷口的宏觀形貌，由于被大火燒過(guò)，斷口上呈黑色的氧化現(xiàn)象，端口明顯減薄，是韌性過(guò)載斷裂所致，大部分表面已經(jīng)嚴(yán)重氧化，無(wú)法辨識(shí)原始斷裂的形貌，但在局部凹坑處仍可發(fā)現(xiàn)有沿晶斷裂的形貌（見(jiàn)圖4）。

圖4 原始斷口SEM形貌

2. 橫向斷口SEM分析

斷口上大部分區(qū)域被氧化，但仍能辨別沿晶斷裂特征（見(jiàn)圖5）。這是由于在高溫作用下晶粒也已經(jīng)發(fā)生氧化。

圖5 橫向斷口SEM形貌

3. 拉伸斷口SEM分析

對(duì)爆炸處的兩部分管道拉伸試樣斷口進(jìn)行了SEM分析。從管廊上斷裂處拉伸試樣斷口SEM形貌（見(jiàn)圖6）可以看出，無(wú)論是邊緣還是中心，斷口都呈現(xiàn)韌窩形貌。

圖6 管廊上斷裂處拉伸試樣斷口形貌

從管道飛離部分拉伸試樣斷口SEM形貌（見(jiàn)圖7）可以看出，無(wú)論是邊緣還是中心，斷口也都呈現(xiàn)韌窩形貌。

圖7 管道飛離部分拉伸試樣斷口形貌

四、總 結(jié)

從爆炸失效管道材料的化學(xué)成分分析可見(jiàn)，材料P含量略高于標(biāo)準(zhǔn)，其他元素含量都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)管道的力學(xué)性能分析表明，受到大火燃燒和高溫影響的管道，強(qiáng)度有了一定程度的降低；晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，為5級(jí)；對(duì)管道斷裂口分析顯示，大部分表面已經(jīng)有嚴(yán)重氧化，斷口為沿晶開(kāi)裂的特征，有明顯的塑性變形：斷口都呈現(xiàn)韌窩形貌。

爆炸失效管道的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能正常，未發(fā)現(xiàn)可檢測(cè)到的缺陷。管道的爆炸斷裂是火燒導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低而造成的韌性過(guò)載斷裂。

由于爆炸燃燒高溫的影響，金屬材料的強(qiáng)度會(huì)有一定程度的降低，晶粒也會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，建議對(duì)本裝置中受火但未破裂的管道和壓力設(shè)備進(jìn)行安全評(píng)估，確認(rèn)是否繼續(xù)使用，以保障化工裝置的安全運(yùn)行。