压力容器培训讲义之压力管道失效分析及事故案例4

螺栓 304标准值
1Cr17Mn6Ni5N
C
Mn Si
S
P
Cr
Ni
0.20 ≤0.08
7.0 0.42 >0.05 0.028 12.12
3.87
2.0 1.0 ≤0.03 ≤0.03 18.0~20.0 8.0~12.0
≤0.15 5.5~7.5 ≤1.0 ≤0.03 ≤0.03 16.0~18.0 3.5~5.5
P
S
Cr
Ni
Ti
实测 0.05 0.51 0.59 0.009 0.008 18.33 10.00 0.36 标准 ≤0.08 ≤2.0 ≤1.0 ≤0.03 ≤0.03 17.0~19.0 8.0~11.0 0.25~0.7
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（三）
C
Mn Si Cr
Mo
Ni
Al
断裂样品
0.08 0.48 0.52 14.73 0.71 6.5
0.8
标准值
0.03 0.25 0.60 15.0 0.8 6.0
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（三）
• 活塞杆断口的宏观形貌分析
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（十二）
• 断裂过程的分析 • 该活塞杆棒材经固溶化＋时效处理后，从国外进口在国内
进行加工制造。在加工活塞杆螺纹时由于采用冷滚压加工 工艺，造成材料整个螺纹齿顶部位出现整圈环向微裂纹， 深度约0.2~0.4mm。这些齿顶上的微裂纹通过着色表面 探伤是无法检查出的。因此这些带有螺纹裂纹的活塞杆通 过现场安装预紧后投入正常运行。在预紧力＋惯性力＋气 体压力等联合外力作用下，造成齿顶部位的微裂纹开裂形 成缺口（主要外力因素为螺纹预紧力）。随后在活塞杆运 行过程中受到交变载荷的作用，使该缺口成为最初的疲劳 裂源。随着运行时间的增加，疲劳裂纹进一步扩展最终导 致活塞杆整个断面的疲劳破坏。
组织，并有颗粒状碳化物存在，少量的灰 色条状为铁素体相，焊缝组织呈单相奥氏 体树枝状组织，从材料的组织说明未有脆 性相析出。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（七）
焊缝金相
母材金相
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（八）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（三）
• 由下表的化学成分表明，该螺栓的材料为奥氏体 不锈钢，根据相应的钢号标准，如该材料为 1Cr18Ni9钢，则C含量高出标准值较多，Cr含量 偏低，而Ti的含量也很少。因此该材料的化学成 分未达到标准要求。
C
Mn Si
S
P
Cr Ni Ti
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（二）
• 该活塞杆的材料，牌号为Custom450。该材料为沉 淀硬化不锈钢。它是通过加入沉淀强化元素铜、银、 铝等来满足材料强度和塑性要求的，该材料主要特 点是高的强度、较好的延性和优异的耐腐蚀性能。
• 通过化学成分分析结果来看，现场所用材料与设计 选用材料基本一致，没有材料误用的可能性。
• 当螺栓含碳量较高，在敏化温度下，C易向晶界扩散，析 出并与其附近的铬形成铬的碳合物。在常用的Cr-Ni奥氏 体不锈钢中，这种碳化物一般为Cr23C6。由于这种碳化 物含有较高的Cr，所以铬碳化物沿晶界沉淀就导致了碳化 物周围钢的基体中Cr浓度的降低，形成所谓“贫铬区”， 最终将导致晶界的耐腐蚀性下降。
C区域
B区域
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（十一）
• 活塞杆的疲劳强度计算与校核 • 许用应力幅安全系数在2.5～4之间，应力
安全系数应在1.25～2.5之间，而本活塞杆 的两个系数均小于通常要求的安全系数值， 说明在正常运转情况下，如活塞杆存在缺 陷时，容易发生疲劳断裂。
二级活塞杆断裂失效分析（四）
• 活塞杆螺纹纵截面金相检查以及金相组织 分析
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（五）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（六）
• 对活塞杆螺纹冷滚压加工工艺
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Cu
母材 0.22 0.58 0.28 0.014 0.007 0.06 0.06 0.22 焊缝 0.13 1.12 0.63 0.016 0.010 <0.03 0.04 0.22
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （三）
• 承插焊阀门裂纹宏观形貌分析
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （四）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （五）
试样的金相组织 • 母材和热影响区的组织
为铁素体和珠光体，热 影响区的组织呈魏氏组 织，焊缝组织由网状铁 素体、珠光体、上贝氏 体组成。热影响区（抛 光态）还存在弧状的夹 杂，这些夹杂对本次裂 纹扩展及断裂应无影响。 母材的晶粒较细，应该 是受焊接后的冷却速度 影响，且未进行焊后热 处理。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（八）
• 从图中可看到树枝状 的裂纹，裂纹起源为 螺栓表面，为典型的 晶间型应力腐蚀裂纹 形貌特征。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（九）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（十）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （六）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （七）
从微观断口形貌可以看到，该疲劳断口附着腐蚀产物，但仍可以看到 疲劳辉纹，而产生疲劳辉纹的必要条件是裂纹尖端处于张开型的平面 应变条件下。因此该断口应是高应力低周期疲劳断口。
压力容器培训讲义之压 力管道失效分析及事故
案例4
2021/4/16
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（二）
• 导压管材料的化学成分分析 • 该材料牌号为0Cr18Ni9Ti，系奥氏体不锈钢无缝钢
管，说明实际使用的材料与设计选用材料相同，所 用材料无误。
C Mn Si
标准值
≤0.12 ≤2.0 ≤1.0 ≤0.03 ≤0.035 17~19 8～11
1Cr18Ni9
螺栓
0.20 0.68 0.42 0.007 0.026 17.16 8.76 0.07
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（四）
• 由下表可知，化学成分完全不符合304SS的标准要求。经检索钢号标 准，该材料接近我国牌号为1Cr17Mn6Ni5N的材料，ANSI中200系列 的201不锈钢材料。该螺栓材料C含量偏高，Cr含量偏低，而S的含量 也大于标准值。1Cr17Mn6Ni5N属于节镍钢种，代替1Cr17Ni7材料。 本螺栓材料应为Cr－Mn系不锈钢材料，其中Mn元素主要是为了增加 钢材的强度和硬度。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
连接螺栓断裂失效
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（一）
• Cr-Ni奥氏体不锈钢在使用前或冶炼厂出厂交货状态多为 固溶处理状态。即将不锈钢加热到高温（1000~1150℃左 右，随钢种而异），保温后快冷（一般为水冷）。此时， 当Cr-Ni奥氏体不锈钢中含碳量在0.02~0.03%以上时（随 钢中的含Ni量而异），碳在钢中便处于过饱和状态。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不 锈 钢 螺 栓 的 失 效 （ 十 一 ）
二级活塞杆断裂失效分析（七）
• 活塞杆断口的微观形貌分析
A区域
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（八）
C区域
B区域
wenku.baidu.com
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（九）
A区域
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
二级活塞杆断裂失效分析（十）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（五）
• 螺栓的失效主要是材料问题，材料不符标 准要求，或者材料误用。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（六）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（七）
• 根据断口的金相照片，可以清晰看到沿晶的开裂，断口附 近的晶粒边界已明显被腐蚀。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （八）
• 由计算模型可知，未焊透时焊缝根部应力集中，应力水平 相当高，同时阀门在循环氢压缩机附近，存在振动，因此 形成了导致疲劳裂纹产生和裂纹扩展的较大应力幅。而如 果焊缝是焊透的，则焊缝根部的应力水平低。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （一）
• 加氢单元的一个阀门发生泄漏，泄漏位置在阀体与法兰的 承插连接焊缝处，在焊缝中心线有一道裂纹。
• 该阀门所在位置是循环氢压缩机入口分液缸沉筒液位计一 次阀。
• 相应的工况为： • 操作压力： 110Kgf/cm2 • 温度： 40℃～50℃ • 介质： H2，其中H2S含量为400～500ppm • 阀体材质： 碳钢 • 该阀门为900磅级的1″闸阀，采用法兰连接，法兰和阀体
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
不锈钢螺栓的失效（二）
• Ti的作用主要是与钢中过饱和的碳形成稳定 的TiC碳化物而防止或减少铬碳化物Cr23C6 的形成。
• 要避免形成贫铬区，理想的Ti/C为6以上， 因此如螺栓材料中的Ti含量低，则不能发挥 其作用。
• 同时当18-8材料含C量达到或超过0.12时， 容易与Cr形成复杂的碳化铬。
• 裂纹断口的微观形貌分析
疲劳源 疲劳纹
疲劳纹 疲劳纹
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（九）
1、本次导压管产生的裂纹属疲劳裂纹。 2、建议对同类进料导压管承插焊及热影响区
进行外表面着色检查，一旦发现有裂纹应 及时修理。 3、预防导压管类似裂纹的再次产生的措施是 承插焊接处的焊缝堆高不易过高，并做到 焊缝熔合区部位圆滑过渡，以避免该处几 何形状突变，造成过大的应力集中。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢压缩机二级活塞杆断裂失效分析 （一）
• 本次发生活塞杆断裂的加氢压缩机系加氢裂化装置中 的重要设备之一。该机组运行至2003年8月15晚上， 突然发生二级活塞杆断裂情况，造成紧急停车事故。 打开机组进行检查，发现压缩机的活塞杆断裂的部位 是在十字头法兰与十字头螺母联接处第二齿顶部位， 沿第二齿齿顶处将整个活塞杆沿垂直轴线方向断裂成 两段，见图所示。
加氢单元阀门裂纹失效分析 （九）
结论：
• 根据本次失效分析，确认由于焊缝未焊透，存在应力集 中，是本次阀门承插焊缝疲劳裂纹产生的原因，不存在 应力腐蚀问题。
• 对于目前在用的类似阀门，应对承插焊缝进行检测，对 于存在未焊透以及类似工况的阀门应于更换。
• 今后采用阀门，应选用对接焊结构的阀门，且焊后需要 进行无损检测，确定不存在有害缺陷。
• 进料导压管裂纹宏观形貌分析
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（四）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（五）
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
进料导压管裂纹断裂失效分析（六）
• 导压管材料的金相组织 • 导压管管子母材组织呈多边形奥氏体孪晶
之间为承插焊接。该阀门制造后按B31.3标准，因焊缝处 壁厚小于19mm，未进行焊后热处理。
压力容器培训讲义之压力管道失效分 析及事故案例4
加氢单元阀门裂纹失效分析 （二）
• 承插焊阀门材料的化学成分分析 • 化学成分表明，该阀门的材料为低碳钢，对应相
应的钢号标准，该材料应为20号钢，没有选材问 题。