受火壓力管道爆破斷裂原因分析[1]

文 /張 嵐 石生芳

某石油化工企業安置的超臨界乙烯輸送相關管線發生火災爆炸事故。受火的管道是否可以繼續使用？為保障受火化工裝置能盡快地恢復安全運行，相關人員在對事故現場進行了細致檢查后發現：多條管線爆破斷裂，爆破的出口管道規格為Φ219 mm×13 mm，材質為0Cr18Ni9不銹鋼，橫向斷裂，其中一段飛離約38 m，并發生塑性變形；另一半管道的端部管段被爆成扁平狀。本文針對乙烯輸送相關管道受火后材料的力學性能進行研究，并對管道的爆炸斷裂失效原因進行分析。

一、事故現場檢查和取樣

爆炸失效的管道為DN200，壁厚為13 mm。該段管道原來是在管架上，發生爆炸后靠后的管道沖出管架，掉在相反方向的地上。爆炸發生處的管道，發現中間段已經由圓形變平（掉到地上而變形），前后兩部分都基本保持圓筒形。

在徑向斷口上，管道最薄處為3 mm；在軸向斷口上，管道最薄處為6.5 mm。從宏觀上看，有明顯的塑性變形和頸縮現象，說明管道屬于明顯的塑性過載斷裂。

在爆炸處的前后兩端管道上各取一部分材料進行分析，考慮到這兩段管道都已受爆炸影響，特在間隔爆破口約100 m處再取一段未受爆炸影響的管道進行分析。

二、化學成分和力學性能分析

1. 化學成分分析

按照GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒紅外吸收法（常規法）》和GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》對管道材料進行化學成分分析，并與GB 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》中該管道相同牌號的標準化學成分做對比。

表1 受損與標準管道化學成分對比表 %

從表1中可以看出，該材料磷（P）含量略高于標準，其他元素含量都符合標準要求，但P含量的微量偏高對宏觀力學性能沒有任何影響。雖這個標準中對C和P都提出了更高的要求，但在螺栓標準中對P的要求為≤0.045%。

2. 拉伸性能

按照GB/T 2975-2018《鋼及鋼產品力學性能試樣取樣位置和試樣制備》對兩個管道進行取樣。按照GB/T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸實驗方法》對試樣進行常溫拉伸試樣，實驗溫度為25 ℃～26 ℃。試樣尺寸見圖1。

圖1 試樣尺寸，mm

試驗機器為Instron 8800拉伸試驗機。2%應變前，加載速率為1 mm/min；2%應變后，加載速率為1.5 mm/min。試驗得到的兩部分管道拉伸性能如表2，同時與GB 14976-2012《流體輸送用不銹鋼管》中該管道相同牌號的標準拉伸性能作對比。

表2 管道試樣拉伸性能與標準對比表

管道飛離部分由于沒有受到大火的影響，所以強度和塑性都符合標準要求，而仍在管架上的管道由于受到大火高溫的影響，強度有了一定程度的降低。未受火影響的一段管道的拉伸性能符合規定要求，試樣拉斷后呈明顯的伸長和頸縮現象，說明材料的塑性非常好。

3. 硬度

按照GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對管道邊材進行硬度檢測，得到硬度值（見表3）。比較結果可見，受火前后管道邊材硬度未發生變化。

表3 管道材料硬度值表

4. 金相分析

通過在離爆炸點100 m左右的管道上取樣進行金相分析，從而了解管道材料的原始組織形貌。圖2為離爆炸點100 m左右的管道軸向剖面金相組織，它的晶粒度等級為7級。圖3為一段飛離管道上材料的縱向剖面金相組織圖，可以看到晶粒比較粗大，為5級。這是由于管道材料受到高溫影響，晶粒發生長大。

圖2 離爆炸點100 m左右的管道金相組織

圖3 飛離的一段管道的金相組織

三、原始斷口分析

1. 縱向斷口掃描電子顯微鏡（SEM）

縱向斷口的宏觀形貌，由于被大火燒過，斷口上呈黑色的氧化現象，端口明顯減薄，是韌性過載斷裂所致，大部分表面已經嚴重氧化，無法辨識原始斷裂的形貌，但在局部凹坑處仍可發現有沿晶斷裂的形貌（見圖4）。

圖4 原始斷口SEM形貌

2. 橫向斷口SEM分析

斷口上大部分區域被氧化，但仍能辨別沿晶斷裂特征（見圖5）。這是由于在高溫作用下晶粒也已經發生氧化。

圖5 橫向斷口SEM形貌

3. 拉伸斷口SEM分析

對爆炸處的兩部分管道拉伸試樣斷口進行了SEM分析。從管廊上斷裂處拉伸試樣斷口SEM形貌（見圖6）可以看出，無論是邊緣還是中心，斷口都呈現韌窩形貌。

圖6 管廊上斷裂處拉伸試樣斷口形貌

從管道飛離部分拉伸試樣斷口SEM形貌（見圖7）可以看出，無論是邊緣還是中心，斷口也都呈現韌窩形貌。

圖7 管道飛離部分拉伸試樣斷口形貌

四、總 結

從爆炸失效管道材料的化學成分分析可見，材料P含量略高于標準，其他元素含量都符合標準要求。對管道的力學性能分析表明，受到大火燃燒和高溫影響的管道，強度有了一定程度的降低；晶粒發生長大，為5級；對管道斷裂口分析顯示，大部分表面已經有嚴重氧化，斷口為沿晶開裂的特征，有明顯的塑性變形：斷口都呈現韌窩形貌。

爆炸失效管道的化學成分、金相組織和力學性能正常，未發現可檢測到的缺陷。管道的爆炸斷裂是火燒導致材料強度降低而造成的韌性過載斷裂。

由于爆炸燃燒高溫的影響，金屬材料的強度會有一定程度的降低，晶粒也會發生長大，建議對本裝置中受火但未破裂的管道和壓力設備進行安全評估，確認是否繼續使用，以保障化工裝置的安全運行。