氟化氢容器泄漏事故分析及预防措施

第 4 7卷第 2期 2 0 1 0年 4月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T& P I P I N G Vo 1 4 7 No 2 Ap r 2 01 0 氟化 氢容器 泄漏事故分析及预 防措施 荆强征 ， 景六刚 ， 李明 ， 任希佳 ， 淡勇 ( 1 西安 特种设备检验检测 院，西安7 1 0 0 6 8 ； 2 西安市质量技术监督局 ， 西安7 1 0 0 0 7； 3 西北大学化工学 院， 西安7 1 0 0 6 9 ) 摘要 ： 采 用失效分析理论和 方法 ， 通过对 失效设备 的全面检测和 解剖分析 ， 研 究氟化氢容 器泄漏事故 的原 因， 获 得 了氟化氢容器壳体材料的化学成分、 力学性能、 金相组织、 腐蚀机理等多项失效分析指标， 综合分析结果表明， 氟 化 氢容器失效原 因主要是局部过热 、 组织劣化 、 强度 下降、 介质腐蚀 、 壁厚减薄造成。 关键词 ：容 器； 化工设 备 ； 失效 分析 中图分 类号 ： T Q 0 5 0 9 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 1 0 ) 0 2 - 0 0 6 1 - 0 3 An a l y s i s o f Le a k a g e Ac c i d e nt Oc c u r r e d i n Hy dr o g e n Fl u o r i de Ve s s e l a nd Pr o t e c t i o n M e t h o ds J I N G Qi a n g z h e n g ， J I NG L i u - g a n g ， L I Mi n g ， R E N X i - j i a ， DA N Yo n g ( X i a n S p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ， X i a n 7 1 0 0 6 8， C h i n a ； 2 T h e Q u a l i t y T e c h n i c a l S u p e r v i s i o n B u r e a u o fX i a n ， X i a n 7 1 0 0 0 7 ， C h i n a ； 3 C o l l e g e of C h e m i c a l E n g i n e e r i n g， N o n h w e s t U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 6 9 ， i n a ) Abs t r a c t： By us i ng t he t he o r y a nd me t h o d o f f a i l u r e a n a l y s i s ，t h r o ug h t he f ul l i n s pe c t i o n a n d a n a l ys i s f o r t h e f a i l e d e qu i p me n t ，t h e c a u s e o f l e a k a g e a c c i d e n t o c c u e d i n h y d r o g e n fl u o ri d e v e s s e l w a s s t u d i e d S e v e r a l i n d e x e s t o i n fl u e n c e t h e f a i l u r e ，s u c h a s c h e mi c al c o mp o s i t i o n，me c ha n i c a l b e ha v i o r ，me t a l l u r g i c al s t r u c t ur e a nd c o r r o s i o n me c h a n i s m o f t he mat e r i a l o f hy d r o g e n flu o ride v e s s e l wa s， t h e n，o bt a i n ed The r e s u h o f c o mpr e h e n s i v e a n a l y s i s s h o we d t ha t t he k e y c a us e i nd uc i n g t h e f a i l u r e o f h yd r o g e n flu o rid e v e s s e l i s l o c al e x c e s s i v e ho t，me t a l l u r g i c a l s t ruc t u r e d e g r a d a t i o n，s t r e n g t h d e c r e a s i n g，c o rro s i o n f r o m flui d a n d t h i n ne d t hi c k ne s s Ke ywo r ds： v e s s e l ；p r o c e s s e q u i p me n t ； f a i l ur e a na l y s i s 在石油 、 化工 生产 中设备失 效事故时有 发生。 化工设备失效事故 ， 轻者造成巨大的经济损失 ， 重者 可能导致人员伤亡和环境 污染 ， 产生严重 的社会影 响。因此 ， 对化工设备的失效进行分析和研究 ， 对保 证设备的安全运行 ， 制定预防措施 ， 提高生产和经济 效益有极其重要的意义。失效分析是一个非常复杂 的系统工程 ， 现已发展成为一 门新兴分支学科 失效学 ， 它主要由失效诊断 、 失效预测和失效预防三 部分组成 ， 主要任务是对失效设备进行检测与剖析 分析 ， 得 出对失效设备的失效模式 、 失效原因和失效 机理的准确判断 ， 为采取相应的补救和改进措施 ， 提 高产品的使用可靠性和安全性提供依据 。近年来 国 内外学者和有关机构 ， 在化工设 备的失效分析方面 做 了大量的工作 ， 在失效的理论研究 和实践分析方 面取得了不少的优秀成果 。 。 。本文通过对一起氟 化氢容器泄漏事故的分析 ， 来研究其失效的原 因和 机理， 为该类设备 的改进 、 预防 、 安全使用提供科学 依据。同时， 也为加强交流 ， 提高失效理论研究水平 和工程分析能力提供参考。 1 基本情 况 失效容器为新型制冷剂 H F C 1 3 4 a 生产装置 中 的一台预热器 ， 其壳体结构为圆柱筒 ， 公称直径 D N 1 0 0 0 m m， 名义壁厚 1 1 mm； 内部采用电热管束加热 操作介质 ； 壳体材料为复合板 ： Q 3 4 5 R( 外壁基材 )+ I n c o n e l 6 0 0( 内壁 ) ； 设 计压力 1 6 MP a ， 设计温 度 2 8 0 o C； 工作介质 ： H F C 一 1 3 3 a +氟化氢 +三氯乙烯 + 氯化氢。使用过程 中发生破裂 ， 造成有害气体外泄 事 故 。 2宏观检 查 现场检查发现 ， 预热器壳体外表 面约 7 0 漆皮 脱落， 局部有过热 、 过烧后所导致的金属材料发蓝及 氧化皮脱落显著特征 ； 壳体上有一 明显的鼓包 ， 轴 向 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 0 2 7 作者简介： 荆强征( 1 9 6 6 一) ， 男， 陕西合阳人， 高级工程师。主要从 事压力容器等特 种设备 的检验检测工作 6 2 化工设备与管道 第4 7卷第2期 长约 1 2 4 0 m m、 周向长约 1 3 5 l l l l n 、 高约 1 3 0 11 1 1 1 1 ； 鼓包 上有一沿轴 向开裂 的裂缝 ， 长约 1 2 0 n l I l l 、 宽 81 2 m m； 裂口及附近壳体表面与正常壳体表面相比有明 显差别 ， 裂 口附近表面斑驳， 呈黑黄色， 并向外鼓起。 解剖后发现 ， 预热器内部 电加热管束间充满 了 沉积物， 壳体内壁有黑色和红色附着物 ， 断 口呈锯齿 状 ， 断面呈黑黄色 ， 且有大量覆盖物 。垂直断口切取 一 段断口试样 ， 发现断口附近壁厚收缩， 断 口有颈缩 现象 。鼓包区壁厚最小值约为 6 2 m m， 断口部位壁 厚最小值约为 4 m m。 3 化学成分分析 在预热器壳体上取样 ， 对壳体材料化学成分进行 分析， 结果见表 1 。由表 1 可见 ， 壳体外壁材料 Q 3 4 5 R 的化学成分符合 G B 1 5 9 1 标准要求， 壳体 内壁材料 I n c o n e l 6 0 0的化学成分符合 A S M E标准要求。 表 1 壳体 材料化学成分分析结果 4 力学性能测定 5 金相组织分析 在预热器壳体正常部位和裂缝附近各取三个室 温拉伸试样， 按 G B T 2 2 8 -2 0 0 2 ( 金属材料室温拉 伸试验方法 标准测定其力学性能， 结果见表 2 。由 表 2可见 ， 鼓包、 裂缝部位 的抗拉强度 、 屈服强度相 对正常部位有明显的降低 ， 而延伸率有所增高。 表 2 壳体材料力学性能测定结果 a外 壁Q3 4 5 R显微组织 6 附着物成分分析 在壳体垂直裂缝断 口部位取一个金相试样 ( 镶 嵌剖面) ， 进行金相显微观察， 结果显示 ： 外壁材料 的金相组织为索氏体 +铁素体， 铁素体沿晶界并 向 晶内延 伸， 属 于过热组 织。外壁 和 内壁交 界处的 Q 3 4 5 R显微组织已基本转化为索氏体 +铁素体； 内 壁材料的金相组织为过烧组织 ， 晶粒明显长大 ， 晶粒 度为 1 2级 ， 局部晶界有溶化特征 ， 并有烧蚀孔洞 ； 内壁表面有腐蚀现象 ； 断 口处金相组织也为过热组 织， 表面也有腐蚀现象 ， 见图 l 。 b Q 3 4 5 R与I n c o n e l 6 0 0 交界处组 织 c 内I n c o n e l 6 0 0 ； 7 , 粒形虢d 内壁I n c o n e l 6 O 0 显微形貌 图 1 裂缝断口部位金相显微 组织 采用无标样方法检测电加热管束问沉积物和壳 体内壁黑色和红色附着物中的元素含量 ， 检测结果 见表 3 。分析 、 推论沉积物和附着物 中主要为单体 碳 、 金属氟化物、 金属氯化物 、 金属氧化物 ， 主要成分 是 C r 、 F 、 C 1 、 N i 等 。 裂缝断口扫描电镜显微结果显示 ， 断 口表面有大 荆强征， 等 氟化氢容器泄漏事故分析及预防措施 6 3 量的覆盖物 ， 无法观察断 口形貌。能谱分析结果 ( 见 表4 ) 表明， 断口表面有较高的氧( O) 元素和氯( C 1 ) 元素 ； x射线衍射分析结果表 明， 断 口表面覆盖物的 结构主要是金属氯化物、 金属氟化物和金属氧化物。 表 3壳体 内壁附着物 中的元素含量 7失效综合分析 9改进措施 ( 1 )操作介质 HF C - 1 3 3 a 、 三氯乙烯为有机物 ， 高温加热容易产生结碳 、 结焦 ； 氟化氢、 氯化氢为有 毒气体 ， 一定条件下能与活泼金属单质 、 金属氧化物 及各种物质发生化学反应。 ( 2 )检测结果表 明， 预热器 内部沉积物和壳体 内壁附着物的主要成分是碳化物 、 金属氟化物 、 金属 氯化物和金属氧化物 ， 说 明预热器 内部发生了碳化 及氟化物 、 氯化物与金属 F e 、 c r 、 N i 的化学反应 ， 即 对壳体材料产生了腐蚀 。 ( 3 )化学成分分析结果表明， 壳体材料化学成 分符合标准要求； 力学性能测定结果表明， 壳体鼓 包 、 破裂部位材料的强度 明显下降。 ( 4 )金相显微观察结果表明， 壳体鼓包 、 破裂部 位材料的金相显微组织发生改变 ， 外 壁材料 Q 3 4 5 R 显微组织显示过热特征 ， 内壁材料 I n c o n e l 6 0 0显微 组织显示局部熔化 、 烧蚀 特征。由文献 1 2 ， 1 3 可 知 ， 耐蚀 材料 I n c o n e l 6 0 0的熔 化 温 度 为 1 3 7 0 1 4 3 0 ， 固溶温度为 1 0 1 01 0 5 0 c IC， 由此可判断 壳体局部温度达到 1 1 0 0 q C以上 ， 远远超过材料 I n - C O I l e 6 0 0的设计温度 2 8 0及在 F H工况下的极 限 温度 5 5 0 o C， 造成材料过烧 。 ( 5 )断 口能谱分析结果表明， 断 口表面存在腐 蚀元素 c l ， 金相显微观察结果也表 明断 口及壳体 内 壁存在腐蚀现象。 8 结论 介质 H F C 一 1 3 3 a 、 氟 化氢 、 三氯 乙烯 、 氯化 氢在 混合进入预热器时 ， 气化不完全 ， 在电热管高温加 热时产生结碳 、 结焦和不应存在的化学反应产物 ， 在 预热器内部逐渐形成异物堵塞 ， 致使电加热管散热 不均匀 ， 造成预热器壳体 材料局部过热 ， 组织劣化 ， 强度下 降 ， 介 质 腐蚀 ， 壁厚 减 薄 ， 鼓 包 开 裂 ， 物 料 外漏 。 根据氟化氢容器失效原 因分析结果 ， 建议相应 的改进措施如下 ： ( 1 )进一步优化生产装置 的工艺流程 ， 提高预 热器前物料辅助加热设备 的预热效果 ， 保证物料气 化充分 ， 防止结碳 、 结焦 ， 生产异物堵塞 。 ( 2 )增加对预热器温度 、 压力 、 流量等工艺和安 全参数的测量 、 监控 ， 以满足安全生产的需要。 ( 3 )对预热器应按照国家关于特种设备的有关 规定进行定期的检修和检验。 参 考 文 献 王富岗 ， 王来石油化工装 置失效分析论文集 M 大连 ： 大 连理工大学出版社 ， 1 9 9 1 王 富岗 ， 王焕庭石油化工 岛温装置材料及 其损伤 M 大 连 ： 大连理工大学 出版社 ， 1 9 9 1 谭毅 ， 王 来 ， 赵杰化 工装置寿命 预测与失效 分析工程 实例 M 北京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 窦 照英承压设备失效