超臨界甲醇清洗罐開(kāi)裂失效分析

安全分析超臨界甲醇清洗罐開(kāi)裂失效分析喻杰,王立新,李春光,胡麗莉,陳罡(1.遼寧省機電工程學(xué)校,遼寧遼陽(yáng)111004;2.中國石油遼陽(yáng)石化公司,遼寧遼陽(yáng)11003)摘要:針對超臨界甲醇介質(zhì)高壓清洗罐在使用過(guò)程中筒體開(kāi)裂失效,從設備設計強度、材料性能介質(zhì)環(huán)境等方面進(jìn)行原因分析,確認該設備筒體失效原因是應力腐蝕開(kāi)裂,并從設計選材、介質(zhì)加熱方式、使用監測方面采取改進(jìn)措施,避免類(lèi)似事故發(fā)生。關(guān)鍵詞:超臨界甲醇;筒體;開(kāi)裂失效;應力腐蝕中圖分類(lèi)號:TH49;TQ053.2;TC172.9文獻標志碼:B文章編號:1001-4837(2014)07-0055-04doi:10.3969/j.isn.1001-4837.2014.07.010Fracture Failure Analysis on Supercritical Methanol Washing TankYU Jie, WANG Li-xin, LI Chun-guang, HU Li-li, Chen Gang(1. Liaoning Machinery Electron School, Liaoyang 111004, China; 2. Petro China Liaoyang PetrochemicalCompany, Liaoyang 111003, China)Abstract: According to the fracture failure on the shell of high pressure supercritical methanol washingtank in use process, the causes from the design strength, material properties, environment etc were ana-lyzed. The cause of this shell failure is stress corrosion cracking. The improvement measures suchas male-rial selection, medium heating mode, use monitoring were taken to avoid the similar failure accidentsKey words: supercritical methanol; shells; fracture failure; stress corrosion0引言28mm,材料為S30408ⅣN級鍛件。筒體由兩段鍛件構成,鍛件中間有一道環(huán)焊縫。容器的所有對某公司過(guò)濾芯清洗系統,采用超臨界甲醇清接焊接接頭均經(jīng)100%射線(xiàn)檢測合格,支座在筒洗重油過(guò)濾芯,系統間隙操作,每24h升壓、降壓體上部。凊洗罐的結構簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖Ⅰ。清洗罐參數個(gè)循環(huán)。當系統使用第20次時(shí),系統中的一臺見(jiàn)表1。不銹鋼高壓清洗罐,在操作壓力下沿筒體軸向開(kāi)裂,筒體外壁裂紋長(cháng)度40mm,超臨界甲醇介質(zhì)泄2開(kāi)裂清洗罐檢查分析漏,操作人員立即進(jìn)行降壓停運處理,沒(méi)有造成人員和財產(chǎn)損失。以下從設計、制造、使用各個(gè)環(huán)2.1清洗罐開(kāi)裂狀況節,對失效設備進(jìn)行綜合分析清洗罐在第20次操作過(guò)程中,當工作壓力升至10MPa時(shí),在筒體中上部的筒體開(kāi)裂,介質(zhì)外結構及參數漏,外壁裂紋長(cháng)度40mm,清洗罐開(kāi)裂宏觀(guān)照片見(jiàn)清洗罐為立式容器,筒體外徑273mm,壁厚圖2超臨界甲醇清洗罐開(kāi)裂失效分析Vol31.No72014情況見(jiàn)圖3,4。2000圖1清洗罐結構示意圖3筒體氣刨解剖位置照片表1清洗罐參數項目參數工作壓力/MPa設計壓力/MP工作溫度/℃300設計溫度/℃300678911234567容積焊接接頭系數耐壓試驗/MPa22.5(水壓試驗)圖4裂紋解剖局部照片操作模式間歇操作(每24h一次加熱方式筒體外壁電加熱2.2筒體強度校核介質(zhì)超臨界甲醇(易爆、中毒危害)筒體的材料為S30408Ⅳ級鍛件,常溫抗拉強筒體的材料S30408Ⅳ級鍛件度520MPa,設備只使用了20次,對于常溫抗拉強度小于等于550MPa,循環(huán)次數不超過(guò)1000次時(shí),可以免除疲勞分析計算2。按照規則設計方法進(jìn)行操作條件下筒體的應力校核3。0′(D,-8)=43.93MP式中a作溫度下筒體的計算應力,MPa計算壓力,MPaD.筒體外直徑,mmδ——筒體厚度,mm圖2清洗罐筒體開(kāi)裂宏觀(guān)照片查得高合金鋼鍛件S30408在300℃時(shí)的許用應力為114MPa3,而工作溫度下筒體的計算排空介質(zhì)后對設備進(jìn)行外觀(guān)檢查,裂紋不明應力為43.93MPa,遠小于材料許用應力,因此顯,開(kāi)裂處筒體無(wú)可見(jiàn)變形,實(shí)測筒體直徑274筒體開(kāi)裂不是由于強度超過(guò)許用應力造成的。mm,比筒體名義直徑大lmm;筒體實(shí)測厚度282.3材料性能檢驗mm,與筒體名義厚度相同在筒體裂紋附近按照GB/T231.1-200941對裂紋處從筒體外壁向內氣刨解剖,隨著(zhù)氣進(jìn)行硬度檢測,對開(kāi)裂的筒體進(jìn)行解剖,在裂紋附第31卷第7期規定進(jìn)行拉伸試驗,將硬度檢測和拉伸試驗結果設備在使用過(guò)程中材料力學(xué)性能劣化。與原材料質(zhì)量證明文件提供的材料性能指標進(jìn)行2.4無(wú)損檢測對比,筒體的材料各項性能指標見(jiàn)表2。開(kāi)裂筒體原材料為S30408Ⅳ級鍛件,材料質(zhì)量證明文件中提供了鍛件超聲檢測報告,檢測結表2筒體的材料各項性能指標果為對鍛件100%UT檢測,其質(zhì)量符合JB/T項目R,/R,o2/A/HBW4730320056規定的I級要求。設備制造廠(chǎng)對MPMPa鍛件進(jìn)行了制造前100%UT超聲復驗,復驗結果開(kāi)裂筒體試樣值6323300150~160為鍛件符合標準6規定的I級要求材料標準值,≥52020535139-19對開(kāi)裂后的筒體再次進(jìn)行全面超聲檢測,超質(zhì)量證明文件值56827545160-165聲掃查出筒體內表面存在多條縱向裂紋,裂紋都在筒體的上半部。將筒體從中間環(huán)焊縫處切割斷從表2數據可見(jiàn),開(kāi)裂筒體的材料力學(xué)性能開(kāi),對內表面按照JBT470.5-20057進(jìn)行滲沒(méi)有下降,各項指標均高于標準值和供應值,因透檢測,筒體內壁顯示多條裂紋,最長(cháng)裂紋超過(guò)此,筒體開(kāi)裂原因并非材料力學(xué)性能不合格或者500mm,筒體內壁滲透檢測情況見(jiàn)圖5z10∠644圖5筒體內壁滲透檢測情況從無(wú)損檢測結果可以看出,設備在使用過(guò)程中,從筒體內壁開(kāi)裂損傷,裂紋不斷擴展到外壁直至設備泄漏失效。3開(kāi)裂原因綜合分析3.1裂紋宏觀(guān)特點(diǎn)n m1對其中的一條裂紋端部取樣觀(guān)察,見(jiàn)圖6。通過(guò)對清洗罐筒體內表面檢測和裂紋端部取23樣的觀(guān)察,清洗罐筒體及裂紋有以下特點(diǎn)(1)筒體幾乎沒(méi)有金屬宏觀(guān)體積上的塑性變圖6裂紋端部照片形,筒體內表面未見(jiàn)均勻腐蝕現象;(2)內表面存在多條縱向裂紋;綜合上述特征,清洗罐筒體裂紋符合應力腐(3)裂紋端部呈樹(shù)枝狀裂紋,裂紋尾部較尖;蝕裂紋的宏觀(guān)特點(diǎn)。(4)裂紋的宏觀(guān)斷口形態(tài)呈現脆性斷裂的特3.2裂紋微觀(guān)特點(diǎn)超臨界甲醇清洗罐開(kāi)裂失效分析Vol31.No72014斷裂為主,見(jiàn)圖7。蝕條件。文獻[8]中表3,4列出的引起S30408/S30403應力腐蝕的敏感介質(zhì)包括水(高溫)、硫化氫(濕)應力腐蝕破壞的發(fā)生和發(fā)展分為3個(gè)階段(1)金屬表面生成鈍化膜或保護膜;2)保護膜局部破裂,產(chǎn)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕裂縫源;)裂縫內發(fā)生加速腐蝕,在拉應力作用下,以垂直方向深入金屬內部0。綜合以上分析,清洗罐的失效具備應力腐蝕的拉應力和材料與介質(zhì)的應力腐蝕環(huán)境,所以清洗罐的失效原因是應力腐蝕開(kāi)裂。圖7裂紋微觀(guān)形貌400×4對策3.3清洗罐筒體應力腐蝕開(kāi)裂特征分析(1)筒體內表面具備拉應力條件。4.1力學(xué)方面的控制措施應力腐蝕裂紋始發(fā)于金屬表面,清洗罐內表嚴格控制操作壓力不超過(guò)設計壓力,控制溫面接觸腐蝕介質(zhì),介質(zhì)操作壓力較高,筒體外直徑差應力,因為殼壁溫度高的一側受的溫差應力是與內直徑之比大于1.2,屬于厚壁高壓容器。最壓應力,溫度低的一側受的溫差應力是拉應力,所大應力在筒體的內表面,由前面的計算可得,筒體以應將原來(lái)的外壁電加熱方式改為內加熱方式,的最大環(huán)向拉應力為4393MPa,此應力值遠小以減少內壁的拉應力。于筒體鍛件材料的標準屈服強度(205MPa)。4.2材料與介質(zhì)環(huán)境方面控制措施承受一定的拉應力是應力腐蝕產(chǎn)生的要素之在設計選材時(shí),應充分考慮連多硫酸的應力,清洗罐內壁具備了應力腐蝕的拉應力要素。腐蝕環(huán)境,選用06C18 NillNb不銹鋼的復合鋼板(2)清洗罐介質(zhì)環(huán)境。制作筒體。由于超臨界甲醇對分子質(zhì)量較大的物質(zhì)具有4.3設備使用方面控制措施非常好的溶解性,所以在清洗罐內用超臨界甲醇結構設計時(shí),增大設備內直徑,以保證設備內做溶劑,對過(guò)濾芯上的重油進(jìn)行溶解清洗。清洗部的表面能夠進(jìn)行全面檢測。在設備使用過(guò)程過(guò)濾芯按照如下程序操作:將過(guò)濾芯裝入清洗罐,中,實(shí)時(shí)監測設備內表面狀況。采用堿液清洗設清洗罐內注入常溫常壓工業(yè)甲醇,封閉清洗罐上備內表面,設備閑置時(shí)封閉,充氮氣保護。蓋,用纏繞在清洗罐外壁上的電加熱器加熱,清洗罐內設置熱電偶和壓力傳感器測量清洗罐內的溫5結語(yǔ)度和壓力,清洗罐內溫度和壓力達到甲醇臨界點(diǎn)以上,保持一定時(shí)間后去除過(guò)濾芯上的殘留物,排超臨界甲醇對大分子量物質(zhì)具有非常好的溶放岀清洗罐內流體,打開(kāi)上蓋取岀過(guò)濾芯。根據解性,依據超臨界甲醇的特點(diǎn)進(jìn)行過(guò)濾芯清洗是文獻[9中介紹,超臨界條件下,由于甲醇密度的一種新技術(shù)。但是,由于超臨界流體對溫度和壓增加,導致金屬設備的保護性氧化物的溶解度增力的變化的敏感性和高溫高壓下取樣的困難性,加,加快了設備的腐蝕。在過(guò)濾芯上重油殘留物同時(shí)隨著(zhù)清洗過(guò)濾芯次數在增加,溶解到介質(zhì)中中含有水、硫化氫,清洗罐經(jīng)多次使用,清洗下來(lái)的組分越來(lái)越多,難以確定操作過(guò)程中容器內部的重油殘留物附著(zhù)在罐壁內表面,其濃度不斷增介質(zhì)的確切組分。因此,應從設計選材、介質(zhì)加熱高,當打開(kāi)設備上蓋取出過(guò)濾芯或設備閑置時(shí),附方式、使用檢測方面采取措施,防止設備發(fā)生應力著(zhù)有介質(zhì)的設備內表面暴露在大氣中,設備表面腐蝕失效爆炸容器法蘭結構的有限元計算分析Vol31.No72014no-leak conditions[ J. International Journal of Pres4結論sure Vessels and Piping, 2004(81): 67-74[4 SHELL C M, SWIFT R P, MARUSAK N L, et al. Re通過(guò)對爆炸容器法蘭結構在不同情況下的應sponse of Steel Vessels and Cavity Liners to Dynamic力、應變分布等進(jìn)行了數值模擬分析,獲得以下結Loading[C].1993:487-495論:法蘭張角是法蘭系統整體強度和剛度的直觀(guān)51 JACKS0NwF. The Containment of Blast Effects fromthe Detonation of Small High Explosive Charges[R]反映,可作為表示法蘭失效的量化參數;法蘭連接ADA105164,1981.結構的最大應力出現在螺栓內側及螺栓孔外側靠6] MARCHAND K A, COX P A, POLCYNMA. A Desi筒體處;法蘭環(huán)厚度是引起法蘭結構受力變化最Guide and Specification for Small Explosive Contain-敏感的法蘭尺寸,錐頸的寬度和法蘭外徑相對于ments Structures[ R].SAND94-2255, 1994法蘭環(huán)厚度的變化對法蘭強度的影響要小得多;[7]王等旺,張德志,李焰,等.爆炸容器內準靜態(tài)氣壓對稱(chēng)法蘭和非對稱(chēng)法蘭對單個(gè)法蘭受力影響不實(shí)驗研究[J].兵工學(xué)報,2012,33(12):1493大;螺栓孔周?chē)氖芰η闆r復雜,螺栓孔上和螺栓1497孔之間需要分別進(jìn)行測量;螺栓孔中,螺栓的位置8]王等旺,李捷,王昭,等.爆炸容器法蘭變形試驗與對孔周?chē)氖芰η闆r影響很大;螺栓預緊力對孔數值模擬[J].壓力容器,2014,31(4):25-30周?chē)氖芰η闆r影響也很大。該結論可為后續爆[9]朱磊.螺栓法蘭連接的失效案例分析及有關(guān)進(jìn)展的討論[J].壓力容器,2012,29(2):42-48炸容器法蘭設計和試驗提供可靠的參考依據。10]陸曉峰,顧伯勤,涂善東.高溫螺栓法蘭連接研究進(jìn)展[J].壓力容器,2004,21(12):34-41參考文獻11]喻健良,閻興清,羅從仁.高溫下法蘭系統溫度分[1] TROTT T, STEVEN R R Confinement Vessel Dynamic布及螺栓載荷變化[J].壓力容器,2013,30(11):1Analysis[ R. LA-13628-MS, 1999: 68[2 DUFFEY T A, ROMERO C Strain growth in sphericalexplosive chambers subjected to internal blast loading收稿日期:2014-04-16修稿日期:2014-06-16[J. International Journal of Impact Engineering作者簡(jiǎn)介:王等旺(1982-),男,副研究員,主要從事材料輻射力學(xué)和沖擊動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究工作,通信地址:710024[3] ABID M. A parametric study of metal-to-metal con陜西省西安市灞橋區平峪路28號西北核技術(shù)研究所,Etact flanges with optimized geometry for safe stress and-mail.wdw2lss(@163.com(上接第58頁(yè))8]任凌波任曉雷.壓力容器腐蝕與控制[M].北京參考文南化學(xué)工業(yè)出版社,2003:59-74.[1]NB/T47010-2010,承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛9]吳曉宇,呂秀陽(yáng)超臨界甲醇中的化學(xué)反應[J現件[S代化工,2009,29(12):26-30[2]JB432-195,鋼制壓力容器—分析設計標準101左景伊,左禹腐蝕數據與選材手冊M].北京:化(2005年確認)[S]學(xué)工業(yè)出版社,1995:33-35[3]GB150-2011,壓力容器[S][4]GBT231.1-2009,金屬材料布氏硬度試驗第1收稿日期:2014-04-09修稿日期:2014-06-30作者簡(jiǎn)介:喻杰(1959-),男,高級講師,主要從事機電工部分:試驗方法[S]程研究與管理工作,通信地址:ll104遼寧省遼陽(yáng)市繁榮[5]GB/T228.1—2010,金屬材料拉伸試驗第1部分路114號遼寧省機電工程學(xué)校,E-mal: Inyujie@126.室溫試驗方法[S6]JB/T4730、3-2005,承壓設備無(wú)損檢測第3部分:通訊作者:胡麗莉(1961-),女,教授級高級工程師(總工超聲檢測[S]程師),主要從事壓力容器設計、制造技術(shù)工作,通信地[7]JB/T4730.5-2005,承壓設備無(wú)損檢測第5部分:址:111003遼寧省遼陽(yáng)市宏偉區南環(huán)路一號,E-mail