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1、材料工程高温临氢管道材料的损伤和安全评估Damage and Safety Evaluation of Pipeline under ElevatedTemperature Hydrogen Environment华东理工大学化工机械研究所周斌生 王正东 朱奎龙 吴东棣In this paper , tests are carried to measure chemical ingredient , determine mechanical property underroom temperature or elevated temperature and metallographic pha
2、se has been examined by samples from an ex- service stainless steel pipeline. It has been shown that the main properties are still in the scope of safetystandards and the pipeline can be continued to operate.关键词 : 高温临氢管道 损伤 断裂韧性 安全评估1 引言高温操作下的临氢管道在长期运行下 , 材料损伤主要形式为蠕变脆化、氢损伤和回火脆性。蠕变脆化与蠕变损伤积累过程有关 1 , 导
3、致钢的蠕变断裂强度显著降低 , 持久缺口敏感性增加 , 容易导致脆性断裂。氢损伤包括氢脆和氢腐蚀两种不同机理的破坏形式。对于这类损伤引起的材料劣化而产生的微小缺陷 , 很难用一般的方法确定其损伤状态 ,是造成灾难性事故的重要原因 2 。某石化企业的加氢裂化工艺装置的高温临氢管道运行至今已有 12年以上 , 对管道长时间服役之后材料可能产生的损伤不很清楚。本文目的是通过报废管道取样试验 ,分析损伤情况来评估其它高温临氢管道的安全状况。2 试验损伤检测仍然采用破坏性试验法 , 从管线上使用条件最苛刻的部位取样进行各项理化测试和检验。管道材料为 1Cr18Ni9Ti 不锈钢 , 从已经长时间运行的换
4、热器管程入口段截下一段管子进行分析 ,尺寸为 “50810 4710 (mm) , 实际操作工况使用温度控制在 316 336 , 操作压力为 15101MPa。本文对取样试块进行材料化学成分的检验、室温及高温条件下力学性能的测试、冲击性能试验 , 并对冲击试样进行扫描电镜观察 , 将有关测试数据与资料记录的原始数据进行比较。3 试验结果311 管材化学成分分析化学成分测试在光谱化学分析试验机 BAIRDSPECTROVAC上进行 , 测试位置为管的近内壁部位(简称“管内” ) 和管的近外壁部位 (简称“管外” ) , 结果如表 1 所示 。从化学成分分析看 , 尽管管内的和管外的数值均在标准
5、范围内 , 但管内的各种主要成分普遍比管外的低 , 两者的含碳量都比制造商提供的原始值略有降低 , 这说明材料在长期使用之后有一定程度的脱碳 , 并且管内变化略大于管外。312 管材拉伸性能试验氢蚀既使材料的延伸率 5、收缩率 下降 ,又使抗拉强度 b 降低 , 尤其使 K 的下降更明显。02 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.各项力学性能对材质变化的敏感程度从大到小排列依次为 : 蠕变 (持久强度 ) 、冲击韧性、延性、拉伸强度。管材拉伸试样采用 5 d0 短比例试样 , 沿管壁分表
6、1 管道内外化学成分分析及与标准成分和原始成分的对照 4 %化学元素 C Si Mn P S Cr Ni Ti Mo标准 0110 1100 2100 01040 01030 1710 1910 910 1210 5 C % 019原始 01059 0150 1155 01032 01006 1810 916 0145管内 0104 0157 1179 01028 01006 18127 9191 0151 0131管外 01045 0161 1186 01032 01007 18141 10143 0155 0132管内外两层截取材料加工试样 , 在 INSTRON 8032型液压伺服式材料
7、万能试验机上进行。试样温度为常温 , 高温据工况而确定为 350 、 425 、 500 。拉伸试验结果见表 2。表 2 奥氏体不锈钢管材拉伸试验结果常 温 350 425 500 012MPa bMPa 5% 012MPa bMPa 5% 012MPa bMPa 5% 012MPa bMPa 5%原始值 258 574 55 75试验 (管内 ) 222 550 55 66 172 390 38 72 166 386 39 73 171 377 38 69试验 (管外 ) 245 553 56 62 178 417 38 71 156 390 39 72 148 378 38 71拉伸试验结
8、果表明 , 经过 12 年的高温高压临氢服役后 , 尽管常温拉伸性能指标均在标准范围之内 , 但屈服强度 012和抗拉强度 b 均比制造商提供的原始值低 , 偏向于标准值下限 , 并且管内性能稍逊于管外。随着温度的提高 , 对于 012 , 管外的变化较明显 , 下降较快 ; 管内的变化较小。这一结果与材料化学成分分析所得到的含碳量下降的结果相吻合 , 说明材料经过长期高温临氢操作 , 材料发生了一定的变化。313 管材冲击性能试验试验考虑到厚管壁可能对材料性能有较大影响 , 因此沿管内到管外分三层加工冲击试样 , 冲击试样靠近管内壁切取 , 冲击缺口由内壁垂直向外。冲击试验在 300J 级冲
9、击试验机上进行 , 温度等同于拉伸试验温度。不同温度下管材的冲击功 A KV及冲击韧性 KV结果见图 1、 2。试验表明 , 室温冲击功远大于标准值 , 表明管材冲击韧性较好 , 管外冲击韧性略强于管内和管中。管材在高温下的冲击功图 1 不同温度下管材的冲击功 AKV比室温下数据大得多 , 但随着温度升高 , 冲击韧性值在上升之后略有下降。管内、中、外的差异较小。图 2 不同温度下管材的冲击韧性 KV314 管材断裂韧性分析为了恰当地分析管材断裂韧性 , 分管内外两层来切取试样 , 然后加工断裂韧性三点弯曲试样 , 并从管内向外垂直管壁预制裂纹。测得在不同扩展量下的启裂韧度如图 3 所示 。图
10、 3 室温时管材的 JR 阻力曲线材料在弹塑性断裂力学中一个很重要的参数是断裂韧性 , 它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。从12第 17 卷第 4 期 压 力 容 器 总第 100 期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图表中可看出 , 表观启裂韧度 J i 及条件启裂韧度J 0105都较高 , 说明该管材抗裂能力强 , 韧度大 , 在高温下也能保持足够的韧度 , 满足材料的使用工况要求。4 结论(1) 本文通过对退役管子材料的化学成分的检验、材料的金相组织的分析、材料室温和高温条件下主要
11、力学性能的测试、材料冲击性能试验、材料断裂性能的测试 , 从而综合评定了长时间服役之后材料的损伤程度。(2) 取样分析的结果表明 , 强度、塑性有所下降 , 而冲击韧性依然较好。从断口分析上看 , 该管材韧性储备也可以 , 但管内外组织已有显著变化 ,大量碳化物向晶界聚集成粗长条状 , 晶内也有不少分散无规则的碳化物颗粒出现 , 已发生部分碳损。(3) 综合宏观、微观分析 , 材料的化学成分和主要的性能指标均还能够符合规范和标准的要求 ,该管材在目前工况下还可继续使用 , 但要注意随时观察。参考文献11 周顺深 . 钢脆性和工程结构脆性断裂 . 上海科学技术出版社 , 198321 日本神奈川
12、县高压气体协会 . 预测高压气体设备耐久性的调查报告 防止高温高压压力容器的破坏 . 中国石油化工总公司设备设计技术中心站 (齐树白译 ) , 198831 机械工程材料性能数据手册编委会 . 机械工程材料性能数据手册 . 机械工业出版社 , 199541 唐纳德 皮克纳 , 伯恩斯坦 (美 ) 著 (顾守仁等译 ) .不锈钢手册 . 机械工业出版社 , 198751 周俊 、林慧国 . 世界各国钢号手册 . 机械工业出版社 ,1971作者简介 : 周斌生 , 男 , 1971 年生 , 博士研究生。通讯地址 : 上海梅陇路 130 号 , 邮编 : 200237。(上接第 4 页 ) 度为
13、8mm , 接管直径为 “133 6(见图 4) , 材料为 20 钢管 , 封头为标准椭圆封头 ,接管外伸为 150mm , 内伸为零 , 设备腐蚀裕度为1mm , 筒体的负偏差为 018mm , 接管的负偏差为0175mm。上述尺寸接管 , 一接管位于封头中心 ,另一接管位于过渡区。试分别计算两接管是否需要开孔。表 1项目 过渡区 接管 封头中心 接管 4 316fir 1 1d 128 128h1 2216 2216A 466194 420125A2 53138 53138 0187 0187fr 0174 0174B 256 256h2 0 0A1 328106 373176A3 36
14、 36A4 0 0A1 + A2 + A3 417144 A结论 需要补强 不需要补强注 : : 壳体计算厚度 , mmfir : 补强圈强度削弱系数d : 开孔直径 , mmh1 : 接管有效外伸长度 , mmA : 开孔削弱所需的补强面积 , mm2A2 : 接管多余面积 , mm2 : 接管计算厚度 , mmfr : 接管材料强度削弱系数B : 补强区有效宽度 , mmh2 : 接管有效内伸长度 , mmA1 : 壳体多余金属面积 , mm2A3 : 补强区内的焊缝面积 , mm2A4 : 补强圈面积 , mm2现按 “ IBM PC”兼容机压力容器设计计算程序软件包 “ SW6 98”
15、进行开孔补强的计算 , 结果见表 1。可见 , 对同一接管 , 由于用于不同的部位 , 得出的结论是不同的。从以上两例的计算可看出 , 将在椭圆封头的接管开孔补强分两种情况计算更为经济合理 , 实践证明 , 这种计算方法是切实可行的。参考文献11 GB150 1998钢制压力容器 . 中国标准出版社 , 199821 GB150 89钢制压力容器 . 学苑出版社 , 198931压力容器设计审批人员考核培训教材 . 中国石油化工集团公司工程建设部 , 199922CPVT高温临氢管道材料的损伤和安全评估 Vol17. No4 2000 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.压 力 容 器 主要文章摘要 2000 年第 4 期 GB150 - 1998钢制压力容器中有关问题的探讨本文从标准椭圆封头在内压 P 作用下的受力分析出发 ,对 GB150 - 1998钢制压力容器中关于椭圆封头开孔补强的有关条款的合理性进行了探讨 , 并提出了作者的建议。周向表面裂纹管道的 J 积分解通过与现有的周向表面裂纹管道 J 积分解对比 , 证明了本文开发的有限元程序计算所得 J 积分解是准
