（材料学专业论文）天然气低温分离聚结器焊接裂纹分析.pdf

中文摘要 摘要 本文采用现代断裂失效分析的方法和手段，探讨2 0 0 5 年6 月3 日某石油公司 天然气处理厂低温分离聚结器发生爆炸这一重大事故。本课题通过对事故现场的 观察、测量以及设备运行状况和事故发生过程的调查了解，同时将现场碎片取样 进行化学成分测定、力学性能测定、金相组织检查、断口电镜扫描、x - 物相扫描、 容器爆炸能量计算等技术检验、鉴定和计算，通过综合失效分析，找出低温分离 聚结器发生爆炸的原因，分析生产过程中存在的问题，采取有效措施，为保障设 备安全运行，预防事故发生，提供技术依据。 文中失效分析发现：裂纹源主要发生在两处：一是焊缝中聚集的非金属夹杂 物，另一处是复材基材界面上的裂纹、孔洞等缺陷。金相组织和电镜扫描观察证 实：焊缝中非金属夹杂物十分严重，这降低了焊缝强度和低温冲击韧性，力学性 能测定证实了这一结论；观察中还发现复材，基材界面处存在较多裂纹、小孔和金 属熔球等，推测为复合板在爆炸焊时因高温或经受到了多次加热与冷却而产生， 这些缺陷大大降低了界面结合强度，成为裂纹源之一。本课题通过失效分析，最 终找出事故发生的根源是：低温分离聚结器的焊接缺陷是事故发生的主要原因， 焊接缺陷导致焊缝性能下降，同时产生气体泄漏以致发生爆炸，事故过程是：低 温分离聚结器由于存在焊缝缺陷，使容器内可燃性气体产生泄漏，与空气混合后 发生一次爆炸，进而使分离器裂开，大量空气进入分离器内，引起第二次爆炸。 文中论述了压力容器焊缝缺陷的类型及产生原因，分析了不锈钢复合板压力 容器焊接生产中存在的主要问题，认为解决不锈钢复合板焊接工艺问题，重点是 保证过渡层的焊接质量。 本次失效分析中发现低温分离器的焊缝区存在夹渣、未焊合、微裂纹等大量 焊接缺陷，但现场焊接检验中未能及时发现，预以返修；选用的材料也存在一定 问题；焊后热处理有待进一步验证，这些都给压力容器的安全运行造成极大的隐 患。我们应从这次事故中吸取经验教训，充分认识焊接质量的重要性，从结构设 计、材料选择以及施工工艺三方面进行控制，严格执行焊接工艺规范，加强焊接 质量管理和检验，以保证压力容器的安全运行。 关键词：断裂，失效分析，焊缝缺陷，裂纹 英文摘要 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea p p l ym o d e r nm e t h o d sa n dm e a n so f f a i l u r ea n a l y s i s , t oe x p l o r et h e l o w t e m p e r a t u r es e p a r a t i o nc o n d e n s e re x p l o s i o na c c i d e n to f t h en a t u r a lg a st r e a t m e n t p l a n to f ao f fc o m p a n y b yo b s e r v a t i o na n dm e a s u r e m e n to f t h ea c c i d e n ts i t e ， i n v e s t i g a t i n ga n du n d e r s t a n d i n go f e q u i p m e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h ep r o c e s so f t h ea c c i d e n to c c u r r e d , s a m p l i n gd e b r i sf t o mt h es c e n e ，t oc o m p l e t ed e t e r m i n a t i o no f t h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r ei n s p e c t i o n , e l e c t r o - m i c r o s c o p i cs c a n n i n go f t h e 丘a c t i 玎e x - p h a s es c a n , t h et e c h n i c a li n s p e c t i o n , i d e n t i f i c a t i o na n dc a l c u l a t i o no f v e s s e l se x p l o s i o ne n e r g y ，t oc o n d u c tc o m p r e h e n s i v e f a i l u r ea n a l y s i s , t oi d e n t i f yt h e l mo f t h ee x p l o s i o no f t h el o w - t e m p e r a t u r es e p a r a t i o n c o n d e n s e r , t oa n a l y z et h ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t a k ee f f e c t i v e m e a s u r e s ，t op r o v i d et e c h n i c a lb a s i sf o rg u a r a n t e e i n gt h es a f eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t , p r e v e n t i n ga c c i d e n t s t h a ti sf o u n di nt h ef a i l u r ea n a l y s i s ：c r a c k si nt w om a i ns o u r c e s ；f i r s t , n o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n si nt h ew e l dg a t h e r i n g , a n o t h e ri sc o m p o s i t e s s u b s t r a t e i n t e r f a c ec r a c k s ，h o l e sa n do t h e rd e f e c t s m i e r o s t r u c t u r ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p yc o n f i r m e d ：n o n - m e t a l l i c i nw e l di n c l u s i o n si sv e r ys e r i o u s ，t h i sr e d u c e d t h ew e l ds t r e n g t ha n dl o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s s ，t h i sc o n c l u s i o ni sc o n f i r m e d b yd e t e r m i n a t i o no f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；i nt h eo b s e r v a t i o n , w ea l s of o u n dm o r e c r a c k s ，m i n u t eh o l e sa n dm e l t i n gm e t a lb a l l si nt h ec o m p o s i t e s s u b s t r a t ei n t e r f a c e , c a u s e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r eo f t h ee x p l o s i o nw e l d i n go ran u m b e ro f h e a t i n ga n d c o o l i n go f t h ec o n j e c t u r ec o m p o s i t ep l a t e ，t h e s ed e f i c i e n c i e sg r e a t l y r e d u c et h e b o n d i n gs t r e n g t h , a so n e s o u l - c , eo f c r a c k s i nt h i sp a p e r , b yf a i l u r ea n a l y s i s ，w ee v e n t u a l l yf i n dt h er o o tc a u s eo f t h ea c c i d e n t ： w e l d i n gd e f e c t si nt h el o wt e m p e r a t u r es e p a r a t i o nc o n d e n s e ri st h em a i nr e a s o no f t h e a c c i d e n t , w e l d i n gd e f e c t sc a u s e dw e l dp e r f o r m a n c et od r o p a tt h e $ a l n et i m eo a u s e dg a s l e a ks ot h ee x p l o s i o no c c u r r e d t h ep r o c e s so f t h ea c c i d e n ti s ：b e c a u s eo f t h ed e f e c t si n t h ew e l d so f t h el o wt e m p e r a t u r es e p a r a t i o nc o n d e n s e r , c o m b u s t i b l eg a s e sl e a k i n g + t h ec o n t a i n e r s ，s o ，t h ef i r s te x p l o s i o no c c u r r e da f t e rm i x i n g 、) l r i t l lt h ea i r , t h u sm a k et h e s e p a r a t o rr a p t u r e d ，l a r g ea m o u n to f a i rg o ti n t ot h es e p a r a t o r , c a u s e dt h es e c o n d e x p l o s i o n t h ep a p e rd i s c u s s e dt h et y p e so f w e l dd e f e c t so f p r e s s u r ev e s s e l sa n di t sc a u s e , m 重庆大学硕士学位论文 a n a l y z e dt h em a i np r o b l e m si nt h ew e l d i n gp r o d u c t i o no f p r e s s u r ev e s s e lm a d eo f s t a i n l e s ss t e e lc o m p o s i t eb o a r d s ，t os o l v ec o m p l e xp r o b l e m so f s t a i n l e s ss t e e lp l a t e w e l d i n gt e c h n o l o g y ，f o e n so ne n s u r i n gt h eq u a l i t yo f w e l d i n gi n t e r l a y e r i nt h et h ef a i l u r ea n a l y s i s w ef o u n dt h e r ea r cl a r g ew e l d i n gd e f e c t si nt h el o w t e m p e r a t u r es e p a r a t o rw e l dz o n es u c ha se x i s t ss l a g ，n o tb o n d i n g , m i c r o - c r a c k s ，f a i l e dt o b ef o u n di nt h ew e l d i n gi n s p e c t i o n , n o tr e p a i r e dt i m e l y ；t h e r ea r ec e r t a i np r o b l e m si n t h es d e c t i o no f m a t e r i a l s ；h o t - 缸 e a t m e n ta f t e rw e l d i n gn e e dt ob et e s t e d a l lt h i sh a s c a u s e dg r e a td a n g e rt os a f eo p e r a t i o no f t h ep r e s s u r ev e s s e l s w es h o u l dl e a r nl e s s o n s f r o mt h i sa e 矗d e n l f u l l yu n d e r s t a n dt h ei m p o r t a n c eo f w e l d i n gq u a l i 劬c o n t r o lt h e s t r u c t u r a ld e s i g n , m a t e r i a ls e l e c t i o na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , s t r i c t l yi m p l e m e n t w e l d i n gt e c h n o l o g ya n ds t a n d a r d s ，s t r e n g t h e nq u a l i t yc o n t r o la n dw e l ds i l l lt e s t , t o e n s u r et h es a f eo p e r a t i o no f p r e s s u r ev e s s e l s k e y w o r d ：r u p t u r e , f a i l u r ea n a l y s i s ，w e l d i n gs e a n ld e f e c t , c r a c k l e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蓦眭孝己 签字日期：占年，胡t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：荡挠欺 导师签名： 签字日期：加6 年fz 月日 易心艇 签字日期：2 卯6 年( 2 ，月7 日 1 概述 l 概述 1 1 论文研究内容 本文以断裂失效分析与修复技术为基础，探讨2 0 0 5 年6 月3 日，某石油公司 天然气处理厂低温分离器发生爆炸这一重大事故。本论文通过化学成分测定、力 学性能测定、金相组织检查、容器爆炸能量计算等失效分析方法，找出低温分离 器爆炸事故的成因，采取有效措施，防止类似事件的发生。 1 2 课题失效分析的意义 本课题主要是采用失效分析方法研究天然气处理厂低温分离聚结器发生爆炸 这一事故。低温分离聚结器是天然气田的核心设备之一，是去除天然气中烃化物 和水的装置，是石油化工装置中制造技术最复杂、运行条件最苛刻的设备之一。 随着石油工业的发展，石油化工生产的规模越来越大。石油化工企业系列化 加工过程中，要采用大量的压力容器设备，压力容器主要是用各种不同种类和级 别的金属无缝管、棒材或板材，经过锻造、焊接、机械加工、热处理和表面处理等 加工而成。石油压力容器一般要承受较高的复杂载荷、高温和较强的腐蚀，容易 造成在服役中的失效。而石油压力容器主要是容装易燃、易爆的石油产品，一旦 发生失效，容易引起爆炸、火灾等严重事故，不仅因其本身报废造成经济损失， 而且往往还导致相关的石油工程的破坏而造成更大经济损失。例如：1 9 4 4 年1 0 月 2 0 日美国俄亥俄州克里夫兰市液化天然气贮罐基地的一台圆桶形贮罐由于焊接质 量不好，产生泄漏引起爆炸，酿成大火，造成1 2 8 人死亡，4 0 0 余人受伤，直接损 失达6 8 0 万美元。八十年代，美国芝加哥郊外的工业炼油厂，一个丙烷气体储罐 产生泄漏，喷出烟雾状丙烷气体，使储气罐很快炸裂，造成重大火灾，本次事故 导致了重大的人员伤亡，估计损失2 5 亿美元。1 9 8 4 年1 月1 日我国某化工厂由 于丙烷气罐一个弯头的焊口开裂，泄漏出丙烷引起爆炸火灾，致使5 人死亡，8 0 人受伤，直接经济损失达2 5 2 万元【l l 。1 9 8 4 年1 1 月1 9 日，墨西哥市郊外国家石油 公司液化石储运站发生石油容器泄漏并引发爆炸，造成6 5 0 人死亡，6 0 0 0 人受伤。 1 9 9 8 年3 月5 日，西安市煤气公司液化石油气管理所发生容器严重泄漏爆炸事故， 共造成1 2 人死亡，3 2 人受伤，1 0 万居民疏散。据我国石化总公司资料，8 3 8 7 年各企业上报到公司的事故有6 4 7 起，死亡1 1 7 人，直接经济损失2 0 0 0 多万元 2 5 。 据粗略估计，这些事故中半数以上都与容器设备的断裂失效直接相关，而断裂失 效主要又是由焊缝失效引起。 由此可见，进行石油化工企业压力容器的失效分析，提高压力容器的焊接质 重庆大学硕士学位论文 量，加强焊接质量检测，改进焊接操作技术，保障石油化工容器运行的安全可靠 性，对预防化工行业重大事故的发生具有重要意义。 由此可见，对事故原因进行失效分析，找出事故原因并加以改进，就能有效 地预防和减少失效事件的发生，产生巨大的经济效益和社会效益。 1 3 失效分析概论 1 3 1 失效及失效事例 一个大型机械设备可看成一个大系统，它由机器、仪表、管线等子系统组成， 而这些子系统又是由许多部件、零构件组合而成。任何一个机械系统，包括其零 部件，都有其预定的功能，由于某些正常或不正常的、自然或人为的原因，导致 其功能丧失或过度衰退而不能达到应有的水平，这就是失效【3 】。失效了的零件、构 件或系统被称之为! 失效件”。 现代工业日益向高温、高压、高强度的方向发展，而且生产规模愈来愈大， 在大规模的工业生产中，失效带来的后果是严重的，它不仅造成巨大的经济损失， 甚至导致重大人员伤亡。例如，1 9 8 5 年美国联合碳化物公司在印度的农药厂由于设 备失效发生的毒气泄漏事故，曾造成三千多人死亡，十万多人中毒。1 9 8 6 年4 月 苏联乌克兰基辅市附近的切尔诺贝里核电站发生爆炸事故，死亡3 0 多人，造成苏 联国内及欧洲大面积的核污染。我国某电厂机组由于设备失效发生爆炸，炸塌机 组楼房，直接损失5 0 0 多万元，修复用了l o 个月，间接经济损失达上亿元之巨1 4 。 可见，大型机械设备一旦发生失效事故就可能造成严重后果，因此现代工业对机 械设备的安全可靠性提出了更高的要求。 1 3 2 失效分析的目的 失效分析就是通过研究和分析失效的机制，失效的发生发展过程，找出导致 失效的主导因素和可控因素，提出相应的对策，采取有效措麓，改进工艺技术， 加强质量管理，严格质量检验，以达到预防事故、保证长期稳定和安全可靠地连 续生产的目的。当然，这里所指的失效机制和原因，不仅仅是自然的，还应包括 人为的、管理学的和社会学的各个方面。因此，失效分析工作不仅是一种“技术活 动”，同时也是“管理活动”。 失效分析是人们对正反两方面经验、尤其是反面经验的总结。失效分析是经 济技术发展的客观需要和必然结果。世界各国技术发展的历史证明，谁重视失效 分析，谁的产品就能有更强的竞争能力，谁的经济效益就高，发展就快。在若干 年前，各企业、公司的失效分析报告，基本上都是保密的，只能在某些学术会议 上见到一些端倪。后来西德出现了一份专门的机械损伤杂志( d e rm a s c h i n e n s c h a d e n ) ) ，一些国家有关失效分析的文献资料陆续出现在各种刊物上，近年来有 2 1 概述 些企业或公司己开始公布某些失效分析的情况，以达到宣传其产品优质的目的。 这反映了失效分析不仅在厂家，而且在用户的心目中有了显要的地位，而切尔诺 贝里核电站事故和美国挑战者”号航天飞机失事均由国家级主持失效分析，则表明 了失效分析在国家经济，政治，军事等多方面的重要地位。各种失效分析方面的 专著也相继出版。这些都反映了无论在工程应用上，还是在学术研究上，失效分 析己越来越受重视。 系统失效分析的一个重要任务是查明系统失效的起因和失效的发展过程，而 事故的起因往往是由于一个或几个零构件的失效。例如1 9 8 4 年某石化公司一个化 工厂由于某仪表的空气管线断裂( 一个零件失效) ，导致l 号锅炉停车( 一个子系统 失效) ，造成全厂中压蒸汽不足，从而导致全厂停车( 一个大系统失效) ，显然这里 存在着几个层次的因果关系。又如，在前述某厂爆炸引起的火灾事故中，分析爆 炸起火原因是丙烷气泄漏遇火，而丙烷气泄漏是由于脱丙烷塔与塔底的重沸器间 管线上的一个变径管焊接接头破裂的引起。由此可见，失效分析就要分析各环节 之间的因果关系，它最后必然追究到首先失效的一个或几个零件或构件( 如上述 二例中的仪表空气管线断裂和变径管接头开裂) 。因此，这些首先失效零、构件的 失效分析，显得十分重要，受到广泛重视。 1 3 3 导致零构件失效的因素和失效模式 分析系统或零构件失效原因，应该在一定具体工作环境、工作条件、工作载 荷下进行。零构件是否失效，是作用于其上的载荷( 外因) 同零构件自身的承载能力 ( 内因) 相互作用的结果。而各种内、外因素之间的相互作用机理又是非常复杂的 e s l 。例如，介质对材料的腐蚀；金属在受力时发生弹性和塑性变形，发生强化； 温度变化促成金属组织变化等等。 人们将各种场合下的致失效因素一失效机理一失效发展过程一失效临界条件一 失效后果”五者之和概括为一个简单的术语，这就叫做“失效模式”。失效分析中的 一项主要工作就是确认失效模式。下面列举一些常见的失效模式： 变形过量 变形过量包括弹性变形过量和塑性变形过量；整体变形和表面变形；室温变 形和高温变形( 蠕变) ；简单受力时的变形过量和失稳情况下的变形过量等。 磨损过量 磨损过量有磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损，微振磨损、疲劳磨损、冲击磨 损等。 腐蚀失效 腐蚀失效包括电化学腐蚀( 如均匀腐蚀、局部腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀等) ；化 学物理腐蚀( 如大气腐蚀，海水腐蚀、土壤腐蚀等) ，磨损腐蚀，冲蚀，气蚀，晶 重庆大学硕士学位论文 问腐蚀，应力腐蚀，氢腐蚀等。 断裂 断裂有过载断裂、蠕变断裂、冲击断裂、应力集中断裂、疲劳断裂、低温应 力腐蚀断裂( 脆化) 、应力腐蚀疲劳断裂、氢损伤导致的断裂等等。 工艺裂纹 工艺裂纹也属于断裂，但工艺裂纹是指发生于工艺加工过程中的局部断裂， 如铸造热裂纹和冷裂纹；锻造加热、冷却或变形不当所致的裂纹；热处理的各类 裂纹；磨削裂纹等。工艺裂纹往往是设备、构件发生失效的萌发点。 对化工设备而言，最常见的工艺裂纹是焊接热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层 状撕裂等；同时还有一些焊接冶金缺陷，如重皮、折叠，集中性夹杂、冷隔、未 焊透、缩孔，疏松，集中性气孔( 多孔性) 、未熔合等等几何非连续性缺陷，这些缺 陷对机件强度的影响较大，而且还往往是断裂的萌发地。 各种功能失效 功能失效包括的范围很广。例如：紧固件在高温下的松弛，其本质与蠕变相 同，但也是一种功能的失效一一紧固力下降；其它还有光学性质、电学性质、磁 学性质、热学性质、声学性质、污染、吸潮、弹性力下降等等。 1 4 断裂失效分析内容 在上述几种失效模式中，断裂失效是化工容器中最常见的失效模式阁。断裂失 效分析包括三个方面的工作： 查明致失效因素。如零构件的几何、材质、性能、缺陷，载荷的性质和大小， 环境的温度，介质及它们的变化。 检查断裂失效特征、发展和症候。这既包括断口宏观和微观、物理和化学、组 织和结构上的特征，又包括断裂的发展，如裂纹的走向，裂口的长短，宽窄，平 直或曲折，正断或剪断，脆断或韧断，滑断或解理，穿晶或沿晶等，也包括断裂 发生的一些伴随症候，如断口附近的变形量，该处的颜色和形貌的变化，表面附 着物、腐蚀膜、蚀坑等的情况，涂层剥落或开裂情况，表面的碰痕，擦伤以及原 存在的加工痕迹如刀痕、焊疤等。 根据查得的失效的后果，症候和致失效因素，运用关于断裂失效的理论来分析 推断出失效机理和发展过程。 1 5 断裂失效分析的主要手段和方法 失效分析工作就是研究探索零件断裂失效的机制，并形成了一门以断口分析 为主的学科一断口学，或叫断口金相学四。它不仅能在设备失效后进行诊断分析， 4 1 概述 还可为新产品、新装备投入使用进行预研预测。失效分析工作涉及多种学科，但 断口、裂纹及冶金工艺损伤缺陷分析仍是基础。实践证明，没有断口、裂纹及损 伤缺陷分析的正确诊断结果，是无法提出失效分析的准确结论的。 断裂失效分析工作中应用到的测试、检验、分析的方法和手段很多，主要有 如下几种： 1 5 1 检查事故现场 在事故发生后，应迅速进入现场，进行周密的检查、观测和必要的技术测量， 搜集容器爆炸碎片，拍摄现场照片等，尽力搜集较完整的第一手资料，其内容主 要有： 断口宏观分析 检查容器破裂情况和断口特征是事故现场检查的首要和主要内容 6 】。 首先，保护事故的现场，搜集具有某些特征的断口，并将断口或碎片截取制 成断口试样。断口应用水玻璃涂其表面防止腐蚀，被沾污了的断面应加以清洗， 清洗后的断口用酒精漂净，并用热风吹干，保存在干燥器中备用、备查。 然后，用肉眼或借助于放大镜对断口的形状、颜色、晶粒和断口纤维等特征 进行认真观察和记录。对破断面的初步观察，大体上可以确定容器的破裂型式。 拉伸断口，一般由三个区域组成，即纤维区、放射区和剪切唇，根据这三个区域 在整个断口所占有的断面积，大体上可确定其断裂类型( 断口特征及容器破裂类 型判断见下列说明) ；若破断口在容器焊缝部位，则应认真检查焊缝破断口有无裂 纹、未焊透、夹渣、未融合等缺陷以及有无腐蚀物痕迹；若容器破裂后无碎块、 碎片时，应测量开裂位置、方向、裂口的宽度、长度及其壁厚，并与原有周长和 壁厚进行比较，计算破裂后的伸长率及壁厚减薄率；对碎裂后几大块的容器，可 按原来的部位组装进行测量计算，并计算其破裂时的容积变形及碎块或碎片飞出 距离，飞出破片的重量。 最后，检查容器内外表面金属光泽、颜色、光洁程度，有无严重腐蚀，有无燃 烧过的痕迹等。 检查安全装置是否完好 对安全阀，压力表、温度测量仪表应拆卸下来进行详细检查，以确定是否超 温运行，其主要内容有： 检查压力表、安全阀进气口是否被堵塞，爆炸前压力表是否已失灵，安全阀 瓣与阀座是否被粘住，弹簧是否有锈蚀、卡住或过分拧紧现象，重锤是否被移动， 安全阀有否开启过的迹象等，必要时应进行安全阀开启压力试验。对温度测量仪 表和减压阀应检查是否失灵 0 3 。 5 重庆大学硕士学位论文 1 5 2 事故过程调查 主要是调查容器在发生事故前的运行情况，如物料数量、压力、温度等运行 参数是否正常；容器是否渗漏、变形以及异常响声等；容器开始出现的异常现象， 采取的应急措施以及安全泄压装置的动作情况；爆炸过程及现象，如有无闪光、 着火、一次或两次响声等。 1 5 3 技术检验和鉴定 当容器的操作条件比较复杂，在通过上述事故分析后仍未能确定事故原因时， 需要进一步进行技术检验、计算和鉴定，才能确切地查明事故原因m 。 材质分析 通过分析容器的材质成分，以检查所用材料是否正确，或检查容器材料使用 过程中所发生的变化。 化学成分检验 一 当容器发生事故后，应复验材质的化学成分，着重检验对容器性能有影响的 元素成分。对可能发生脱碳现象的压力容器，还要化验表面层含碳量，和内层钢 材的含碳量进行对比，以便查明是否由于介质对钢材的影响。复验化学成分可鉴 别容器是否用错钢种或运行中对材质的影响。 机械性能测定 容器的破裂与金属材料的机械性能直接有关。机械性能试验包括拉伸实验、 冲击测试等，一般是检查材料强度、塑性、抗氢脆性能等；对于低温下工作的容 器，通过金属材料韧性指标( 冲击值) 的测定，可鉴别容器是否因脆性断裂破坏的。 机械性能测定的试件，应从断口部位截取，并制成标准试样，按照国家标准 进行( 当待检材料的量和尺寸不符要求时，则需根据情况采用小型或变型的试样， 此时，所测数据的意义可能有些不同，在引用时应当说明) 。 断口微观分析 断口微观分析是利用光学显微镜、电子显微镜等仪器设备对断口的微观形态 进行观察，结合宏观分析确定断裂性质，例如可以观察到是穿晶裂纹还是晶间裂 纹，观察裂纹尖端是钝圆的还是尖锐的。 金相检查观察断口及其它部位金属相的组成，对于鉴别事故性质作用甚大， 通常应由项目主持人亲自进行。观察金相组织可使用光学显微镜( u 田，扫描电子 显微镜( s e m ) 和透射电子显微镜( t e m ) ；结构分析则可用电子衍射( 电镜上可作) 、 x 射线衍射；有的电子显微镜配有电子计算机，不仅可以对断口作定性分析，还 可对断口的成分作定量分析嘲。 工艺性能试验 工艺性能试验主要是钢材的焊接性能试验、耐腐蚀性能试验等。试验时应取 6 1 概述 与破裂容器相同的原材料、焊接材料和焊接工艺，以观察试样与破裂容器的异同， 工艺性能试验往往是事故检查的一种辅助手段，起验证作用。 1 5 4 压力容器事故分析中的计算 在压力容器失效事故分析中，除了进行上述的现场调查和断口检查，作定性 分析外，还应根据情况进行必要的计算，作定量分析，如：强度计算、爆炸能量 计算、过量充装可能性的计算等。强度计算主要是为了判断是设计强度不足还是 运行后因腐蚀减薄导致强度不足的破裂( 强度计算中应注意：对于在焊缝处破裂 的容器，若有未焊透缺陷时，还要考虑未焊透处的应力集中或对疲劳强度的削弱) ； 爆炸能量计算，主要是为了通过计算比较设计压力下的爆炸能量与现场爆炸破坏 能量，从而判断爆炸性质和类型：过量充装可能性的计算，可分析液化气体满液 充装和过量充装时，当环境温度升高时，容器是否将发生破裂。 本课题失效分析中，通过现场调查和断口检查初步判断事故产生的原因为焊 接缺陷，不是设计强度不足或腐蚀失效，因此不作强度计算，主要是进行爆炸能 量计算，判断爆炸性质和类型。 1 6 容器管道破裂类型及断口特征 用扫描电子显微镜可清晰地观察到断口的形貌特征，断口的形貌特征主要有 以下几种： 韧性破裂 韧性破裂的容器一般都有明显的塑性变形，破裂后最大圆周伸长率常达1 0 以上，其断口呈暗灰色纤维状，没有金属光泽，断口不平齐。由于材料有较好的 塑性和韧性，所以容器破裂后，一般不是形成碎片，而是裂开一个口子。 脆性破裂 脆性破裂的形状、断口形貌等与韧性破裂相反。凡脆性断裂的断口，纤维区 和剪切唇很小，大部分是放射区，就是说金属在断裂前没有较大塑性变形。容器 壁厚一般也无减薄，裂口齐平，断口呈金属光泽的结晶状，厚壁容器的断口上， 还常可找到人字形纹路( 幅射状) 。由于脆性破裂往往在一瞬间发生，器内压力无法 通过一个裂口释放，因此脆性破裂的容器常裂成碎块飞出。由于脆性断裂是裂纹 引起的，所以破裂时实际应力较低，在运行中因温度突变而发生脆断的也多见。 脆裂断口还可根据放射线( 常称人字形) 的指向确定裂源的起始点，由此可查清裂纹 的扩展情况。 需要指出：破裂断口的裂纹起始点可能不止一处，它可能有几个裂纹源。 疲劳破裂 疲劳破裂是在反复交变载荷作用下出现的金属疲劳破坏。一般的疲劳破坏有 7 重庆大学硕士学位论文 如下特征： 1 ) 疲劳破裂是由裂纹扩展造成，它与脆性破裂一样，一般无明显的塑性变形。 2 ) 破裂断口存在两个区域，一个是疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最后断裂区， 两个区域的颜色有明显的不同。 3 ) 与脆性破裂的不同点是疲劳破裂只开裂一个破口泄漏，常不产生碎片。容器在 交变载荷作用下，由裂纹的产生发展到断裂泄漏，比脆性断裂要慢得多。 腐蚀破裂 常见的容器腐蚀破裂形式有均匀腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等，其 中最危险的是应力腐蚀破裂【6 1 ，常见的应力腐蚀型式及其特征如下： 1 ) 钢制容器的氢脆。在容器发生氢脆后，断口微观分析，常可看到钢的脱碳 铁素体组织及脱碳层的深度。破坏的形式是沿晶界扩展的腐蚀裂纹。 2 ) 钢制容器的碱脆。碱脆是钢在热碱溶液和拉伸应力的共同作用下产生应力 腐蚀的一种破坏形式。断裂常发生在应力集中的地方，断口微观分析常可发现有 沿着晶界分枝型裂纹，断口上还粘附有磁性氧化铁。 3 ) 氯离子引起的奥氏体不锈钢制容器的应力腐蚀断裂。腐蚀裂纹的特征是穿 晶型，且多数是分枝型裂纹，且多数发生在有残余应力的焊缝及其热影响区。 4 ) 疲劳腐蚀。疲劳腐蚀是金属材料在腐蚀和应力的共同作用下引起的一种破 坏形式。具有与疲劳破坏相同的断口，即断口常有两个明显不同的区域，一是腐 蚀疲劳裂纹产生的扩展区，另一个是最后断裂区。疲劳腐蚀裂纹多为穿晶分布的。 1 7 爆炸事故性质及过程的判断 压力容器的破裂，有的是在工作压力下发生的，有的是在超压的情况下发生 的；有的属于物理性爆炸，有的属于化学性爆炸。分析时应仔细观察压力容器各 部分的使用状态，必要时进行爆炸能量计算，才能正确判断爆炸的性质，对爆炸 过程进行推测。 一般压力容器破裂及其由此引起的气体爆炸，可有以下几种情况： 工作压力下容器的破裂 当安全泄压装置正确、可靠，容器在破裂前没有开启泄放，压力表也无异常， 事故后检查尚无失效、失灵，操作和工艺条件也属正常等，无超压迹象，则可判 断为在工作压力下的破裂。 工作压力下容器的破裂，一般是由于容器材料问题，壁厚不够，焊缝有严重 缺陷，容器长期不作技术检验，年久失修和器壁存在严重腐蚀现象等原因造成。 超工作压力下容器的破裂 这一般是由于容器内压力明显地超过工作压力而发生的爆炸。这类事故一般 1 概述 是由于操作人员违章作业，容器本身的安全泄压装置不全或失灵，器壁上的应力 超过材料的强度极限而发生破裂。这种破裂一般都有一段增压过程，故破裂一般 都属于韧性破裂。 化学反应而产生的容器爆炸 容器内化学反应爆炸是指发生不正常的化学反应，使气体体积增加或温度剧 烈增高致使压力急剧升高导致的容器破裂。 发生化学反应爆炸的容器，其安全阀可能有排放过的迹象，但一般却来不及 全量排放。爆炸后检查压力表可发现指针撞弯、不能返回零位等异常现象，以及 器内可能有燃烧的痕迹或残留物等。 容器破裂后的二次空间爆炸 一般盛装易燃介质的容器，在其破裂后，器内逸出的易燃介质与空气混合后， 发生的第二次爆炸。这种爆炸一般形成火灾，往往导致灾害性事故。容器破裂后 的二次空间爆炸，其特征是可以看到闪光和两次响声以及常有燃烧痕迹或残留物 等i 司。 1 8 本课题断裂失效分析的方法及原理 上述失效分析方法在一次失效分析中不需全部采用，可根据情况选择其中几 种，只要能充分、有效地提供分析依据，找出事故的根源即可。 本课题通过认真分析论证，采用的断裂失效分析方法有：断口宏观检验、焊 缝力学性能测试、断口金相组织观察、电镜扫描观察、x 射线物相分析、膨胀系 数与热分析测定、容器爆炸能量计算等。其中，宏观检验、力学性能测试、金相 组织观察的原理较常用简单，不再阐述。这里主要阐述扫描电子显微镜和x 射线 物相分析的基本原理。 x 射线物相分析法 根据晶体对x 射线的衍射特征衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物 质之物相的方法，就是x 射线物相分析法。 每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质的 晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当x 射线被 晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个 衍射晶面间距d 和衍射线的相对强度i i o 来表征。其中晶面间距d 与晶胞的形状 和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种 结晶物质的衍射数据d 和i i o 是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴 别结晶物质的物相 3 】。 x 射线物相分析法通常采用的粉末样品在1 - 0 3 克为宜，样品要有代表性，被 9 重庆大学硕士学位论文 分析的部分尽量富集，排除其它不必要干扰。不易研成粉末的金属合金、薄膜及 复合材料需要一个平整的表面，有些需要对比样或标样以及提供元素信息及处理 条件等。 扫描电子显微镜( s e m ) 观察法 自从1 9 6 5 年1 2 月商品扫描电子显微镜问世以来，扫描电子显微镜得到了极 为迅速的发展，是目前应用最成熟、最广泛、最实用的显微分析仪器，它在冶金、 生物、地理、化工、农业等各方面均有极为广泛的用途。 扫描电子显微镜最大特点是：焦深大，分辨率高，放大倍数变化范围广，对 试验样品要求低，可直接观察，特别适合对粗糙表面的观察研究。扫描电镜的焦 深要比光学显微镜的焦深大数百倍，可以观察粗糙的样品表面清晰细致的三维图 象，分辨率是光学显微镜的4 0 倍。配置x 射线能谱仪，可直接探测样品表面的微 区成分。 使用中可先在低倍下找好需要研究的区域，然后再调到高倍进行仔细观察， 非常方便，已经被普遍应用于断口、磨损及腐蚀表面分析，特别适宜做产品失效 分析嘲。 在电镜扫描观察中，断口的处理直接影响观察结果，为保证结果的真实，应 注意以下几点： 1 ) 试样的制备。尽管扫描电子显微镜对试验的样品要求不严格，但故障、失 效分析样品与实验室在试验状态下的样品有明显的差别，这些样品的表面都不同 程度的受到损伤和污染。因此要想得到良好的观察效果，就必须对样品进行处理， 在样品的处理上要仔细谨慎。 2 ) 断口的保护。断口应存放在干燥器皿中，对于需短期存放的断口，特别是 碳素钢断口应对断面涂覆新鲜的机油或用醋酸纤维纸保护。 3 ) 断口的清洗。清洗分机械和化学清洗，在清洗前后，必须用实体显微镜检 查确定断口是否要清洗及清洗的效果( 对于可能是应力腐蚀的断口，必须在清洗 前完成腐蚀产物的判定) 。机械清洗是用毛刷在有机溶剂里清洗或用醋酸纤维纸反 复粘揭，根据需要两者可结合使用。在清洗过程中一般尽量避免使用水及牙刷， 可使用毛刷和有机溶剂( 使用丙酮的效果优于乙醇) 。用醋酸纤维纸反复粘揭后还 需把样品放入丙酮中在超声波仪里清洗3 0 分钟。任何化学清洗方法对断口的微观 特征都有不同程度的损伤，因此一般不推荐使用化学法清洗。 1 0 2 低温分离器爆炸失效分析 2 低温分离器爆炸失效分析 2 1 某气田处理厂低温分离器简述 2 0 0 5 年6 月3 日，某石油公司天然气处理厂低温分离聚结器发生爆炸，使厂 房炸毁，生产中断，造成重大经济损失。低温分离聚结器是石油化工生产中的重 要加工设备之一，起着承上启下的作用，是去除天然气中烃化物和水的装置，是 天然气田的核心设备之一。低温分离聚结器在中压状态下运行，属于二类压力容 器，也是石油化工装置中制造技术最复杂、运行条件最苛刻的设备之一。 该公司的低温分离聚结器为低温、中压、厚壁容器，采用0 9 m n n i d r ( s 0 m m ) + 0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n ( s a f 2 2 0 5 ) ( 4 m m ) 复合钢板焊接而成，再经1 0 5 0 x 2 h 固溶处理。 低温分离器制造过程中，各道焊缝焊后要进行5 7 0 x 2 5 h 消除应力处理，整体焊 接完后，再进行5 8 5 c x 2 5 h 消除应力退火。此次爆炸事故主要发生在第四筒接处， 原第四筒接在整体热处理后发现裂纹而更换，更换后第四筒接处由两块钢板拼焊 而成，焊后未进行整体热处理。 2 2 现场情况调查 通过询问有关人员以及现场观察，发现容器内外表面颜色正常，无明显腐蚀 现象；检查安全阀，压力表、温度测量仪表无堵塞、失灵现象，安全阀无开启过 的迹象；容器在发生事故前物料数量、压力、温度等运行正常；无操作失误现象； 事故发生时，有人听到两次爆炸声。从现场情况初步判断，由于操作失误和容器 配件失效的原因基本可以排除。 2 3 现场宏观检验 现场裂纹取样 将现场碎片进行取样，分别选取焊缝、简体材料处的碎片，大块碎片采用氧 乙炔切割下来，按要求分别制作成金相分析、性能测试、电镜扫描等分析试件， 并进行分组、编号。 对事故现场碎片进行了拼接和观察发现： ( 1 ) 多块裂片的断裂都与焊缝有关，如：1 4 。的4 筒接纵缝( 图2 1 ) ，2 8 。的3 段 纵缝( 图2 2 ) ，6 6 。人孔插入式角焊缝( 图2 3 ) ，3 矿的顶盖1 筒接的环缝( 图2 4 ) 等多处裂片都与焊缝有关。 重庆大学硕士学位论文 图2 11 4 号碎块4 筒接纵缝，沿焊缝裂开 f i g 2 1t h en u m b e r1 4f r a g m e n to f v e r t i c a l w e l d i n