天然气管道法兰断裂原因分析.pdf

天然气管道法兰断裂原 因分析 吴 兴华 上海市特种设备监督检验技术研究院 ， 上海2 0 0 0 6 2 摘要 对材料为 A S T M A 3 5 0 G r ． L F 2， C l a s s 1的标准法兰在进行气压试验时发生断裂 的原 因， 采用 宏观检测、 力学性能试验 、 扫描 电镜分析 、 金相分析、 工艺试验 、 超声波检测、 断裂韧度测试等多种方 法， 进行 了全面综合 的探讨， 认定使用 了脆化程度严重的不合格材料是造成事故的主要原 因， 同时 提 出了预 防事故的建议。 关键词 法兰； 脆化 ； 冲击韧性； 断裂韧度； 锻造 中图分类号 T E 8 3 2 ； T Q o 5 5 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 1 0 4 0 0 4 7 0 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 1 ． 04 ． 0 0 9 Ana l y s i s o n Fr a c t ur e Ca us e o f NG Pi pe Fl a n g e W U Xi n ghu a S h a n g h a i I n s t i t u t e o f 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 T e c h n i c a l R e s e a r c h， S h a n g h a i 2 0 0 0 6 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e f r a c t u r e c a u s e o f s t a n d a r d fla n g e wa s d i s c u s s e d， wh i c h ma t e r i a l i s AS TM A3 5 0 Gr ． LF 2， Cl a s s 1， h a p p e n e d i n t h e p n e uma t i c t e s t ． T he v i s u a l e x a mi n a t i o n， me c h a n i c a l p r o p e r t y t e s t i n g， S EM a n a l y s i s， me t a l l o g r a p h i c a n a l y s i s，pr o c e s s t e s t i n g， u l t r a s o ni c e x a mi n a t i o n a n d f r a c t u r e t o u g h n e s s me a s u r e e t c ． we r e a d o p t e d t o a n a l y z e t h e f r a c t u r e c a us e t h o r o u g h l y a n d s y n t h e t i c l y． T he ma i n r e a s o n o f t h e a c c i d e n t i s e mb r i t t l e me n t ． S e v e r a l s u g g e s t i o n s we r e g a v e t o p r e v e n t a c c i de n t o c c u r r e d a g a i n． Ke y wo r ds fla n g e； e mb r i t t l e me n t ； i mp a c t t o u g h n e s s ； f r a c t u r e t o u g h n e s s ； f o r g i n g 1 法兰断裂情况简介 某液化天然气接收站的天然气管道在进行气 压试验时， 突然发生爆炸 ， 造成人员伤亡 ， 周围设 施不同程度损坏。 1 ． 1 气压试验 事故发生于该管道系统气压试验 的第 6天 ， 试验管线为气化器至计量站之间的长度 约 5 2 0 m 的天然气管线。在试验压力 P 1 2 ． 3 MP a下 ， 与 法兰盲板连接的 、 为二期工程预留接 口的法兰发 生断裂 ， 并引起了爆炸 ， 如图 1 所示。 图 1 断裂后 的法兰 1 ． 2断裂位置 从事故现场看 ， 断裂发生在法兰锥颈小端与 47 C P V T 天然气管道法兰断裂原因分析 V o 12 8 ． N 0 4 2 0 1 1 法兰直管段相接 的转角处 ， 距离法兰直管段与管 道连接的外表面焊缝 1 8 m m。该断 口平齐 ， 壁厚 未见减薄和颈缩现象 ， 呈脆性断裂的特征。 2 法兰与钢管基本情况 法兰为 A S T M A 3 5 0 G r ．L F 2 ， C l a s s 1低合金 钢锻件； 钢管为 A S T M S A 6 7 1 G r ．C C 6 0 C l a s s 3 2 常温和低 温用 电熔 化 焊钢管 ， 钢 管外径 9 1 4 ． 4 m m， 壁厚 4 6 m m。 2 ． 1 法 兰锻 件制 造情 况 法兰坯料取 自方形棒料 ， 经过油压锻造机初 步锻缩后 ， 在环段机上继续将坯料锻制成法兰的 大致形状 ， 经热处理后 ， 再通过立式车床等机加工 设备将法兰加工成所需的规格尺寸。事故法兰制 造商仅对法兰所用钢坯做了试样冲击性能试验 ， 但在随后的法兰钢坯锻造后正火热处理时， 没有 将试样与该产品锻件在 同一炉内同时进行热处 理 ， 此后也没有制取试样再进行低温下 的冲击性 能试验， 不符合 A S T M A 3 5 0 要求缺 口韧性试验 的管道零部件用碳 钢和低合金 钢锻件中的要 求l 。 2 ． 2 法兰和钢管的施焊情况 法兰和钢管采用手工钨极氩弧焊打底 、 手工 焊条电弧焊填充和盖面， 焊接材料为 T I G 8 0 N i l 。 3 事故法兰的材料和断口检验 3 ． 1 法兰材料性能测试与断口形貌分析 从同批同规格未损坏件法兰与直管焊接后的 外观形貌 见 图 2 可见 ， 在法兰锥颈小端与法兰 直管相接的转角处可见有沟槽 ， 在断裂法兰小端 亦可看到沿转角沟槽开裂现象； 直管段的断 口基 本沿管道的横截面断开 ， 无明显起伏 ， 也无明显变 形 ； 在相对应的法兰断 口上 ， 也未发现断口边缘变 形收缩现象。法兰断面沿 圆周方 向大致可见分为 内、 外两区域， 内圈区域大部分十分粗糙 ， 呈现径 向分布为主的撕裂棱 ， 外圈大部分较平细， 且有斜 向条纹。法兰断口宏观形貌见图 3 。 经宏观检查可推断 ， 法兰开裂为由外表多源 启动的脆性断裂 ， 且开裂与法兰锥颈段转角的应 力集中和沟槽缺陷有关。 3 ． 2 力 学性 能试验 48 图 2 法兰接头外 观 图 3 法兰断 口宏观形貌 在法兰的锥颈部位按标准要求截取切向及轴 向试样 见 图 2 ， 分别进行拉伸 、 冲击及硬度检 测 ， 测试结果如表 1 所示。 切向和轴 向部分拉伸试样在拉伸试验后外观 如图4所示。可以看出， 切向拉伸试样有颈缩 ， 轴 向拉伸试样则无明显的颈缩变形 ， 在轴 向拉伸试 样外表还可见平行断面的小裂纹。 由法兰本体取样的力学性能检测结果所示， 事故法兰材质轴向抗拉强度、 断 面收缩率、 延伸 率、 低温夏比冲击值 和切 向低温夏比冲击值均未 达要求， 尤其是切向和轴向低温夏比冲击能量值 与标准要求相差甚远。 3 ． 3 扫描 电镜 分析 对图 3的 “ 1 1 点” 区域管段断 口进行电镜扫 描 ， 该试样近外缘 区域低倍下微观形貌如图 5所 示。图 5右下角区为外圆表面 ， 可见周 向分布的 加工痕迹 ； 断面呈层片状分布 ， 可见平行边缘的推 进条纹 。 高倍下可见 断面均呈 解理花样 ， 脆 性形 天然气管道法兰断裂原因分析 V o 1 2 8 ． N o 4 2 0 1 1 图8 “ 9点” 方向沿转角沟槽开裂金相组织 图9 基体的轴向截面上裂纹及夹杂分布形貌 未浸蚀 3 ． 4 ． 3 直管段断 口附近基体区域 在轴向截面上局部可见趋横 向分布的裂纹 ， 锯齿状 、 断续分布， 部分与夹杂相关 ， 呈脆性开裂 形态 ， 见 图 9 。 3 ． 5工 艺试 验及检 测 在事故法兰锥颈部位 ， 图 3的“ 1 1 点” 至“ 1 点” 段取样 ， 进行 了正火 9 0 0 c c2 h 退火 5 6 0℃ 0 ． 5 h 处理。处理后在试块上制取轴 向试样， 进行拉伸、 冲击及硬度试验， 其结果如表 2所 示 。 事故法兰材料经一次正火后塑性和韧性指标 有所提高， 但仍未达到要求 ， 二次正火后韧性指标 表 2 法 兰锥颈部位试样热处理后的力学性 能数据 R JR Z 一 4 5 ． 6℃ 试样 H B ／ N ．1 1 1 1 1 ～ ／ N mm一 ／ ％ ％ ／ J 一 次正火 3 6 5 5 2 5 1 1 ． 5 1 4 ． 0 9 ， 8 ， 1 2 1 6 0 ， 1 6 1 ， 1 6 2 二次正 火 3 7 0 5 6 5 2 1 ． 5 3 2 ． 5 6 ， 5 ， 9 1 5 6 ， 1 5 6 ， 1 5 5 A 3 5 0一L F 21 级 平均值 ／2 0 ≥25 0 48 5～6 55 ≥2 2 ≥ 3 0 ≤ 1 9 7 标准要求 ] 单个值 ≥1 6 仍与要求相差甚远 ， 呈明显的脆性状态 ， 说明再次 热处理能够少量改善法兰锻件的脆化状态 ， 但不 能根本改善 ， 使之达到标准要求。 3 ． 6 超声波检测 对制造的同批同规格法兰中的两件法兰进行 超声波检测 ， 用 2 ． 5 MH z 纵波探测时， 将法 兰锻 件与焊接接头另一侧 同厚度钢管对比， 法兰锻件 的衰减系数较大， 意味着法兰锻件的晶粒度较大。 在对抽查锻件采用 K 1探头进行轴 向扫查时均发 现深度在 4 0 4 2 mm的 2～3 m m当量缺陷 ， 缺 陷断续性分布， 分别约占周长的 5 0 ％和 2 0 ％。 3 ． 7 法兰断裂韧度测试和法兰转角处有限元应 力分析 对法兰材料的断裂韧度进行 了取样测试 ， 测 试分析表明， 法兰的断裂韧度值非常低， 最低值为 2 8 ． 0 M P a ／ m 8 8 5 ． 4 M P a ／ m ， 已接近铁素体钢 的最低值 2 0 M P a m， 而且试样 的断裂完全呈现 5 n 出脆性断裂特征 ， 和冲击试验及拉伸试验得到的 结果相一致。这样 的材料对应力集中十分敏感 ， 并且遇到小尺寸缺陷会很容易发生低应力脆断。 由于法兰在拐角处的结构的不连续和较深的 加工刀槽 ， 使得法兰拐角处出现了高应力集 中区。 有限元方法计算表明， 拐角处 的应力集中很高， 法 兰中的条状夹杂物的存在进一步加剧了该处的应 力集中， 使得结构在 尚未达到规定的试压压力时 便发生了脆性断裂失效。 4法兰断裂原因分析 引起法兰断裂的可能因素有很多 ， 如气压试 验超压 、 焊接缺陷和材料缺陷等。 4 ． 1 关于管道气压试验超载的可能性 由于爆炸时气体压力约为 1 2 ． 3 M P a ， 低于管 道的设计压力 1 3 ． 6 M P a ， 更低于试验压力 l 5 ． 6 4 第 2 8卷第 4期 压 力 容 器 第 2 2 1 期 MPa j ，且从外观上看该管道没有发生鼓胀的现 象 ， 现场实测也证明管道直径没有发生明显变化 。 由此可知本次爆炸是低应力脆 断所致 ， 而不是压 力超载所致 。 4 ． 2 焊接 缺 陷引起 法 兰断裂 的可能性 在对焊接接头的宏观 、 微观和无损检测中， 均 未发现超标焊接缺陷。另外法兰直管段外表面焊 缝距开裂部位约 1 8 m m， 法兰直管段 内表面焊缝 距开裂部位约 4 8 m m。在截面上可见焊接接头组 织分布正常 ， 在法兰一侧 的热影响区沿焊缝均匀 分布 ， 宽约 2 m i l l 。管法兰的断裂发生在焊接接头 及热影响区域之外。根据上述分析也可排除法兰 断裂由焊接缺陷引起的可能性。 4 ． 3 法兰质量问题 引起断裂的可能性 由断裂法兰本体取样的力学性能检测结果可 看到， 管法兰锥颈体 区材质在轴 向的力学性能未 达相关技术要求， 材料性能在不同方向存在显著 差异 ， 尤其是低温夏 比冲击能量值 ， 切向和轴向均 不符合相关技术要求⋯ ， 且相差甚远 A 3 5 0一L F 2 1级 。正火加 回火热处理后， 再取样检测 ， 塑 性和韧性指标仍未达到要求 ， 材质脆化程度严重。 由此可知 ， 锻造工艺 以及热处理工艺过程的失控 是造成法兰材料脆化的一个重要因素。 从超声波检测结果可知， 在近法兰外表面存 在断续性缺陷。从电镜和金相检测 中也发现法兰 断 口附近基体局部 区域 有链 状分布 的硫化 夹杂 物， 在部分夹杂物区 ， 夹杂物拉开呈裂纹分布， 法 兰中的条状夹杂物的存在会进一步加剧该处的应 力集中， 使得结构在 尚未达到规定 的试压压力 时 发生脆性断裂失效 。由此可见 ， 材料本身的缺陷 是引起法兰断裂的另一个因素。 在管法兰圆锥面小端转角处发现有沟槽 ， 有 限元力学计算表 明该处的应力水平很高。而从断 面和相邻裂纹的分布 、 走 向以及断面表层 的组织 形貌可知 ， 该沟槽在载荷下形成明显 的尖角应力 集中效应。 5 结论 由上述分析可知 ， 事故法兰开裂 的主要原 因 为锻造后的法兰材料力学性能 尤其是韧塑性指 标 未达到 A S T M A 3 5 0标准规定的要求 ， 即法兰 材料脆化程度严重 ， 而材料的脆化 系法兰锻造工 艺 、 热处理工艺过程控制不当， 原材料本身存在缺 陷引起的。管法兰圆锥面小端转角处的沟槽因应 力集 中效应也是引发开裂的另一个诱导因素。 6 建 议 该法兰断裂的根本原因是法兰锻件材料的塑 性和韧性明显低于标 准要求 ， 造成对应力集 中和 缺陷非常敏感。因此， 对原材料 的质量 、 锻造的锻 造比及锻造工艺 、 热处理工艺等各个环节的控制 就显得尤为重要 。 鉴于硫化夹杂物的偏析主要是在冶炼过程中 产生 ， 对其控制主要是冶炼方法 的改进 ， 如脱硫、 增加钢水 的纯净度等 ， 对于一些用于关键场合的 材料 ， 应该增加硫化夹杂物的检测项 目， 以控制原 材料 的质量。 从对本次事故 法兰力学性能 的检测结果来 看 ， 材料存在各向异性。由于此类法兰锻件通常 是通过正常的锻缩 ， 然后再进行环锻形成的， 仍出 现此种情况 ， 锻造 比和热处理不当应该是主要原 因， 因此应该严肃工艺纪律 ， 加强锻造工艺和热处 理工艺质量的控制。 制造单位在法兰锻制成形后 ， 由于没有按照 标准取样进行力 学性能试验 ， 不能及 时发现事故 法兰已经严重脆 化 ， 致使质量不合格的法兰用于 天然气管道上 。因此 ， 制造单位应严格执行相关 规范和标准的技术要求 ； 对于使用在重要场合的 法兰 ， 用户可按 J B 4 7 2 6～J B 4 7 2 8中4级锻件的 要求 ， 对供方提供 的法兰进行材质抽验。 此外 ， 应避免法兰出现结构上的几何不连续 ， 引起局部应力集中等情况。 参考文献 [ 1 ] A S T M A 3 5 0 ， 要求缺 口韧性试验的管道零部件用碳 钢和低合金钢锻件[ S ] ． [ 2 ] G B 5 0 2 3 5 ， 工业金属管道工程施工及验收规范[ S ] ． [ 3 ] 张栋 ， 钟培道， 陶春虎， 等．失效分析 [ M] ． 北京 国 防工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] G B ／ T 6 3 9 4， 金 属平 均 晶粒 度测 定法 A S T M E 1 1 2 1 9 9 6 [ s ] ． [ 5 ] G B ／ T 1 0 5 6 1 ， 钢中非金属夹杂物含量的测定标 准显微图检验法 I S O 4 9 6 7 1 9 9 8 [ S ] ． 下转第 5 6页 51 外取热器蒸发管失效分析及 改进 V o 1 2 8 ． N 0 4 2 0 1 l 力值及分布， 从而减少失效的发生。 3 ． 1 ． 1 翅片结构 外取热器在投用 中， 其翅 片顶部及底部 的温 差客观存在 ， 为防止翅片的翘曲， 必须在翅片顶部 开槽 ， 原开槽形式见图 3 ， 其槽底 的半径为 5 m m。 改进后的开槽形式见 图 1 0 ， 翅片开槽改为 Q型 ， 其槽底 的半径为 7 m m， 这样孔径放大 ， 且改变了 应力集中点 ， 从 而减少原翅片 U形 口开裂倾 向， 这样对蒸发管基体的影响更小。 图 1 O 改进后 的开槽形式 3 ． 1 ． 2 翅片排列 原蒸发管翅片共分 4组 ， 这种结构造成组与 组之间环隙应力高度集 中； 而改进后的翅片采用 螺旋排列 ， 改变了应力集 中的分布， 防止在一个水 平端面的焊接应力高度集 中。翅片在蒸发管上的 布置见图 1 1 。 图 1 1 改造后的蒸发管 3 ． 2材料 升级 针对原蒸发管有珠光体球化的倾向 ， 改进后 的蒸发管本体采用了抗珠光体球化能力和高温强 度较高的 1 5 C r M o ， 同时翅片也采用与蒸发管相同 的材料， 这样既可长期保持材料的性能 ， 延长蒸发 管的使用寿命 ， 同时也基本消除了翅片与管子在 热变形 中因形变不一致而产生热应力的问题 。 3 ． 3 改进 工 艺， 优化 操作 工艺上 ， 优化操作 ， 使外取热器运行平稳 ， 保 障设备的安稳运行。 4 结语 通过对外取热器进行针对性 的改进 ， 取得 了 令人满意的结果 ， 在随后 的几次检修中， 对蒸发管 进行了检查鉴定 ， 情况 良好 ， 完全满足装置长周期 运行的要求。 参考文献 [ 1 ] 崔约贤， 王长利． 金属断V 1 分析[ M] ． 哈尔滨 哈尔 滨工业大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 邸长友． 外取热器取热管断裂失效原因分析[ J ] ． 压 力容器， 2 0 0 2 ， 1 9 3 3 5 3 7 ． [ 3 ] 曾春华， 邹十践． 疲劳分析方法及应用[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 4 ] G B 1 5 0 --1 9 9 8 ， 钢制压力容器[ S ] ． 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 0 2 修稿 日期 2 0 1 1 - 0 33 1 作者简介 易建国 1 9 7 2一 ， 男， 工程师， 主要从事特种设 备管理工作， 通信地址 2 0 0 1 3 7上海市浦东新区江心沙路 1 号 中石化股 份有 限公 司上 海 高桥 分公 司 ， Em a i l y i - j i a n g u o s i n o g p c ． t o m。 上接第 5 1页 [ 6 ] J B ／ T 4 7 3 0 ． 3 ， 承压设备无损检测 第三部分 超声波 检测[ S ] ． [ 7 ] N B 4 7 0 0 9 --2 0 1 0 ， 低温承压设备用低合金钢锻件 [ S ] ． [ 8 ] 应道宴． A S 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