臨氫碳鋼高壓管失效分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究.pdf

1、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(如：10、20、20G等)韌性優(yōu)良、冷變形塑性好，在正常工作條件下不會(huì)發(fā)生脆性破壞，因此，碳鋼高壓管廣泛使用于合成氨和石油裂解等裝置中。臨氫(H2)環(huán)境碳鋼高壓管設(shè)計(jì)時(shí)，通常參考Nelson曲線選材，并考慮一定的安全系數(shù)，高壓管實(shí)際工作溫度一般不會(huì)高于200℃，多數(shù)情況下在常溫和低溫運(yùn)行。通常認(rèn)為，上述工況環(huán)境下，碳鋼高壓管可以安全運(yùn)行，不會(huì)造成損失惡劣的安全事故，特別是脆性斷裂事故。但是，該類高壓管發(fā)生脆性爆炸的脆性斷

2、裂事故競(jìng)時(shí)有發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。脆性斷裂失效事故雖然是小概率事件，但其后果嚴(yán)重程度往往超出了社會(huì)、企業(yè)和個(gè)人的承受限度。為了實(shí)現(xiàn)在用和再建的臨氫碳鋼管的長(zhǎng)周期低風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行，作者做了如下研究：
　　 (1)采用泛化分析方法研究了近年來的失效案例，指出和論證了臨氫碳鋼高壓管中失效的關(guān)鍵性(或普遍性)問題-“應(yīng)變時(shí)效脆化”。以其中一起典型的臨氫碳鋼高壓管失效案例的化學(xué)成分(特別是N、H含量)、力學(xué)性能、微觀組織及宏微觀缺

3、陷等試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，并結(jié)合其它失效案例的試驗(yàn)結(jié)果，分析了材料劣化和裂紋萌生及擴(kuò)展的原因和機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)材料韌性下降是應(yīng)變時(shí)效脆化所致，環(huán)境中的氫(H)會(huì)進(jìn)一步加劇材料劣化；裂紋萌生表面上看是氫致開裂，根本原因是應(yīng)變時(shí)效脆化導(dǎo)致了氫脆的門檻值降低。
　　 (2)采用透射電鏡(TEM)觀測(cè)碳化物和氮偏析物的微觀組織結(jié)構(gòu)，通過分析從微觀機(jī)理上證明了間隙原子氮(N)是主導(dǎo)碳鋼應(yīng)變時(shí)效脆化的化學(xué)成分。詳細(xì)分析觀察了應(yīng)變時(shí)效脆化和氫脆協(xié)同作

4、用后的微觀結(jié)構(gòu)，研究表明應(yīng)變時(shí)效脆化后氫脆的機(jī)理是在珠光體和鐵素體的交界處大量產(chǎn)生微孔洞、微裂紋。分析了應(yīng)變時(shí)效脆化下通過夏比沖擊吸收能(KV2)估算斷裂韌度(KIC或JIC)下限的方法，對(duì)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法提出了改進(jìn)建議。對(duì)檢測(cè)碳鋼應(yīng)變時(shí)效脆化敏感性的分析表明KV2方法具有很高的可靠性。研究了應(yīng)變時(shí)效脆化對(duì)失效評(píng)定圖(FAD)方法的影響，結(jié)果表明應(yīng)變時(shí)效脆化會(huì)使評(píng)估點(diǎn)向左上方偏移。
　　 (3)為了降低應(yīng)變時(shí)效脆化對(duì)臨氫碳鋼高壓

5、管安全的影響，以KV2做為材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了預(yù)制中避免應(yīng)變時(shí)效脆化導(dǎo)致高壓管失效的方法及其作用機(jī)理，以及已發(fā)生劣化的臨氫碳鋼高壓管性能恢復(fù)的方法和作用機(jī)理。研究表明：軋制過程中已發(fā)生應(yīng)變時(shí)效脆化，后續(xù)的預(yù)制會(huì)加重管子的應(yīng)變時(shí)效脆化程度；明確了冷變形中正火處理和去應(yīng)力退火處理對(duì)于長(zhǎng)周期避免脆化傾向有極高的可靠性；應(yīng)變時(shí)效脆化消除的熱處理方法對(duì)初始組織結(jié)構(gòu)極為敏感，性能恢復(fù)的評(píng)價(jià)須結(jié)合使用環(huán)境(特別是使用溫度)；正火態(tài)高壓管在冷彎

6、成型中產(chǎn)生的應(yīng)變時(shí)效脆化，通過再結(jié)晶退火或去應(yīng)力退火即可有效消除；在制造中已發(fā)生應(yīng)變時(shí)效脆化，并在服役過程中發(fā)生了氫脆的碳鋼厚壁管，采用正火處理恢復(fù)其力學(xué)性能比較可靠，微孔洞和微裂紋愈合以及晶粒細(xì)化是該材料脆化消除及性能恢復(fù)的關(guān)鍵作用機(jī)理。
　　 (4)以前期失效分析、加工預(yù)防、性能恢復(fù)等研究為基礎(chǔ)，根據(jù)失效可能性風(fēng)險(xiǎn)劃分準(zhǔn)則，構(gòu)架了基于應(yīng)變時(shí)效脆化失效機(jī)制的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。根據(jù)各種可能的失效和后果提出了相應(yīng)的失效可能性計(jì)算方法，

7、即：基于失效機(jī)制的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法由一套不同情況下的失效可能性分析及風(fēng)險(xiǎn)判定準(zhǔn)則的子方法構(gòu)成。在失效可能性分析研究的基礎(chǔ)上，分微小裂紋和宏觀裂紋兩種情況確立了風(fēng)險(xiǎn)劃分準(zhǔn)則，提出了等值線風(fēng)險(xiǎn)FAD方法?；诜旨?jí)和分類的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理念，根據(jù)臨氫碳鋼高壓管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用區(qū)間值描述基本數(shù)據(jù)單元和偏序關(guān)系將基本信息單元有層次的組織起來。采用Pawlak粗糙集理論，分別按均勻分布區(qū)間值和概率分布區(qū)間值建立了失效模式識(shí)別的算法，包括基于等值線風(fēng)

8、險(xiǎn)FAD各種情況下的算法。
　　 總之，通過作者的工作，明確了應(yīng)變時(shí)效脆化是臨氫碳鋼高壓管的普遍失效模式，為臨氫碳鋼高壓管存在冷加工情況的失效機(jī)理、評(píng)估方法的研究和為材料選擇、定期檢驗(yàn)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持；通過避免和消除應(yīng)變時(shí)效脆化傾向研究提出的具體措施和作用機(jī)理可以直接用于降低失效可能性的工程實(shí)際；基于失效機(jī)制的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定程序化的研究有助于加快規(guī)范化、實(shí)用化進(jìn)程。由于臨氫碳鋼高壓管在制造和服