您好,全讯网论坛儀表流量儀表網站歡迎您!

聯係我們|

孔板流量計

孔板流量計產品展示橫幅
新聞中心
技術中心
產品導航
相關文章
技術文章 您當前的位置: 孔板流量計 > 技術文章

316不鏽鋼孔板流量計導壓管斷裂的原因分析與檢查流程

作者:王立坤,周 楊,榮 軍,何新民,王建偉,邢普瑜 來源: 發布時間:2017-12-22 10:05:02

 【來源:(1. 中國石油獨山子石化分公司 a. 壓力容器檢驗所,b. 機動處,c. 儲運聯合車間,新疆 克拉瑪依 833699;)】

[摘 要] 某化工廠工藝管線上的 316 不鏽鋼材質的孔板流量計導壓管斷裂,導致介質泄漏發生火災。為查明其失效原因,對斷裂的儀表管進行成分、硬度、金相、斷口形貌和腐蝕產物分析,確認儀表管發生斷裂的原因是在安裝應力、震動和環境中 Cl 元素的共同作用下,先發生了應力腐蝕形成裂紋源,裂紋達到門檻值後又以疲勞形式擴展,最終導致開裂。

 
0 前 言
        2015 年 12 月某化工廠發生火災,經查起火原因為安裝在 40 -P -2242002 -B1X -P1 工 藝 管 線 上 的22FT42427C 孔板流量計導壓管斷裂,導致介質泄漏所致。該導壓管為無縫卡套管 [1] ,自 2015 年 3 月服役至2015 年 12 月發生斷裂失效。卡套管執行標準為 ASTMA269,規格為 12.0 mm×1.0 mm,材質為 316 不鏽鋼,操作溫度為 68 ℃,操作壓力為 2.63 MPa,導壓管外有伴熱管,並有外保溫。為查明導壓管失效原因,防止類似事件的再次發生,對失效接管進行分析。
 
1 宏觀檢查
        開裂導壓管中間段垂直向上,兩端處於水平狀態,導壓管安裝及斷裂位置如圖 1。斷裂位置位於導壓管下部的水平段,斷口在卡套接頭的根部。測量導壓管尺寸,其外徑為 12.0 mm,壁厚為 1.5 mm,壁厚與廠家所提供的 1.0 mm 不一致。
        開裂導壓管示意
        孔板流量計導壓管斷裂處為接頭部分安裝密封管箍根部,管箍安裝部分管段有明顯的環形壓痕。除此外再無其他塑性變形情況。斷口上下部分均有一小塊黑色區域,該區域為腐蝕區域,黑色覆蓋物為腐蝕產物。上部黑色區域位於一個凹下去的缺口內,該區域與卡套根部的壓痕平齊,環形斷口的下端黑色區域也與卡套根部壓痕平齊。從最下端黑色區域兩側向上,逐漸升高,然後突然陡峭下降,形成上部的凹坑。除凹坑兩側突出部分,斷麵整體比較平整,可初步判斷,凹坑周圍為最後的斷裂區,而兩個黑色區域為較先開裂區域,長時間受介質和空氣腐蝕而形成,即為裂紋源。
 
2 微觀分析
2.1 導壓管化學成分
        采用 GB/T 11170-2008《不鏽鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法(常規法)》分析導壓管化學成分,結果見表 1。
        導壓管化學成分(質量分數)
        經分析,管材化學成分符合 ASTM A213 中 316 不鏽鋼要求。
 
2.2 斷口形貌與成分
        在孔板流量計導壓管開裂位置附近取金相樣品進行分析,金相組織見圖 2。經分析導壓管基體組織為奧氏體,清晰可見大量的孿晶界存在,晶粒較均勻,金相組織檢驗證明該導壓管經過固溶處理。
        導壓管金相組織
        將斷口形貌劃分 11 個區域,見圖 3,對各個區域利用掃描電鏡觀察,尋找斷裂過程的特征。經觀察,1 區、2 區、4 區和 5 區可見河流花樣和扇形花樣等典型的解理裂紋形貌,見圖 4。在 3 區、6 區、7 區、8 區和 10區均有大量的疲勞輝紋,同時還伴有解理台階疲勞輝紋與台階想垂直,屬於脆性疲勞裂紋,見圖 5。在 9區和 11 區的小範圍內可觀察到韌窩形貌,見圖 6。
        斷口形貌區域劃分示意1 區形貌3 區形貌11區形貌
        利用掃描電鏡對斷口表麵覆蓋的腐蝕產物的 1 區進行能譜分析,見圖 7。
        1 區能譜
        經分析發現斷口表麵的腐蝕產物區域有大量的白亮色的顆粒,經分析該白色顆粒中除了含有工藝介質元素外,由於受到空氣的氧化作用還含有大量的氧;除此之外,Cl 元素含量高達 1.87%,S 元素含量 1.90%。
 
2.3 保溫層成分
        對車間提供的使用過保溫層材料與未使用過保溫層材料進行能譜分析。將所取樣品進行編號,其中 1號為新保溫層的外側材料,2 號為新保溫層的內側材料,3 號為舊保溫層外側材料,4 號為舊保溫層內側材料,檢測結果見表 2。
        保溫層材料能譜分析(質量分數)
        從檢測結果可看出,新保溫層內外層材料皆不含Cl 元素,而舊保溫層內外層材料皆檢出了 Cl 元素,說明保溫層材料本身不含 Cl 元素,舊保溫層中的 Cl 元素是在使用過程中進入其中的。
 
3 分析與討論
        通過上述分析可知,導壓管金相為固溶狀態奧氏體組織,未見異常。化學成分分析結果符合 ASTMA213 中 316 不鏽鋼要求。斷裂導壓管斷口及斷裂部分除安裝形成的環形壓痕外無明顯的塑性變形,屬於脆性斷裂。斷口橫截麵靠近外壁存在 2 處黑色區域,是早期開裂後管段材料受到來自空氣中氧元素作用氧化形成,而這 2 個區域也就是開裂的裂紋源區域;並且2 處黑色區域均在導壓管邊緣。該區域在安裝後有 2個特點:一是接頭部位受到與接管鏈接的法蘭作用,安裝牢固,而導壓管在密封管箍根部形成結構不連續部位;二是由於安裝時密封管箍收緊力作用,在管箍內部管段存在壓應力,管箍邊緣管段存在較大的拉應力。由斷口掃描電鏡分析可知,1 區、4 區兩個黑色腐蝕範圍及 2 區、5 區,皆為解理形貌證明該區發生了應力腐蝕開裂。斷口黑色區域腐蝕產物中檢出氯(Cl)及硫(S)元素,而車間提供的新保溫層材料中未檢出 Cl 元素,證明 Cl 元素是在使用過程中進入材料中。分析工廠建設地域臨近海邊,可考慮檢出的 Cl 來自於海水。在 3 區、6 區、7 區、8 區和 10 區均有大量的疲勞輝紋,證明這些區域經曆了疲勞過程。疲勞斷裂需要一定的交變載荷的作用,導壓管在工作過程中,由於內部介質壓力及壓力傳導方向的變化造成了孔板流量計導壓管的震動,也就為疲勞斷裂提供了一個交變載荷。疲勞擴展過程幾乎占據了整個斷口橫截麵,證明疲勞斷裂對整個儀表接管的斷裂提供了最大的貢獻。9 區和 11 區為韌窩形貌,證明該處為受拉應力作用的最後的瞬斷區,該區域很小,是由於導壓管直徑隻有 12 mm,能夠承受相當大的介質內壓,不易被內壓破壞的原因。斷口中存在的 Cl 元素是造成導壓管發生應力腐蝕開裂的原因,而 S 元素在應力腐蝕和疲勞斷裂過程均不起決定性作用,應為介質中帶來,不再做其他分析。應力腐蝕過程中在應力和介質的共同作用下,使材料表麵覆蓋層破裂,局部開始化學侵蝕,形成微裂紋,此處產生應力集中,成為裂紋源。因為腐蝕作用使疲勞過程 σ-N 曲線向低值方向移動,使疲勞源容易形成,即腐蝕疲勞的“孕育期”比較短。最終致使導壓管在安裝投用後僅 9 個月就發生了開裂。
 
        綜上所述,孔板流量計導壓管斷裂過程,首先是由雨水或海水中蒸發出來的氣體中含有的 Cl 進入保溫層,並在導壓管下部接頭處匯集,形成了腐蝕環境,在密封環根部的安裝拉應力和導壓管震動時產生的拉應力共同作用下,造成了導壓管的應力腐蝕開裂 [4,7] ,此時應力腐蝕開裂占據主導地位。應力腐蝕開裂形成了小的缺口,也就是裂紋源。然後由於管道的振動,為裂紋的擴展提供了交變載荷,當應力腐蝕開裂裂紋達到一定值時,便開始了疲勞裂紋的擴展,此時疲勞開裂便占據了主導地位,故應力腐蝕裂紋隻在導壓管表麵,而斷口內部為疲勞裂紋。也就是說疲勞裂紋擴展是在當應力腐蝕開裂形成的裂紋達到門檻值後才能進行,若無應力腐蝕,則疲勞失效不足以發生或者延遲發生。故應力腐蝕是造成本次導壓管早期失效的根本原因。
 
4 結論及建議
        (1) 孔板流量計導壓管失效是由雨水和來自海水的蒸汽進入保溫層帶來了 Cl 元素,並在接頭處聚集發生了應力腐蝕開裂,在管道外壁形成初始裂紋。導壓管振動使裂紋以疲勞方式擴展,最終斷裂。
        (2)導壓管特別是其接頭處必須做好防雨,避免形成腐蝕環境。 

上一篇:使用孔板流量計計量三相分離後的天然氣流量研究
下一篇:孔板流量計探測火焰時的測量誤差及產生的原因和解決的方法

相關產品
  • SCLGK高溫蒸汽孔板流量計法蘭取壓,1.6Mpa,3

    SCLGK高溫蒸汽孔板流量計法蘭取壓,1.6Mpa,3
  • 平衡孔板流量計

    平衡孔板流量計
  • 差壓式孔板流量計

    差壓式孔板流量計
  • 節流孔板流量計

    節流孔板流量計
  • 角接取壓孔板流量計

    角接取壓孔板流量計
  • 徑距取壓孔板流量計

    徑距取壓孔板流量計