焦炭塔钻杆断裂失效分析及防范措施.pdf

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1、370化工机械2010年焦炭塔钻杆断裂失效分析及防范措施李发年+(锦州石化公司)摘要分析了某公司焦炭塔除焦钻杆断裂的原因，并提出了解决和防护的措施。关键词焦炭塔钻杆断裂焊接中图分类号TQ052．5文献标识码B文章编号0254-6094(2010)03-0370-03钻杆是焦炭塔除焦设备的重要组件，钻杆在塔内垂直竖立，其端部由卷扬机构提动，垂直伸入焦炭塔中以一定的速度上下运动，同时缓慢自转。在正常生产过程中，钻杆管中通入约20MPa的高压冷水，并通过钻杆下端的切焦器孔向塔内焦炭高速喷射，打出通道，然后再匀速伸入通道进行侧喷，对焦炭进行高压水

2、切割，此时钻杆的使用环境温度不超过2000C，其表面接触水气和二氧化碳。经过长时间运行，钻杆发生断裂，下部落入塔中。断裂点是在距离下端钻头9．6m的两管对接焊口处。笔者分析了断裂原因并提出了预见性维修措施，该措施可以避免现场临时性抢修。1钻杆运行情况除焦过程中钻杆上部受拉伸，下部受压弯曲，在扭矩作用下旋转运动。钻压的作用使下部钻杆受压缩，当压力达到钻杆的临界压力，钻杆将失去直线稳定状态而发生弯曲，压力较大时可能发生多次弯曲。2失效分析2．1宏观观察图l为失效钻杆的断口形貌。观察可见，断裂发生在上下两管对接焊缝的中央处，起始点源于内焊缝与管

3、材的交接处。断口平齐完整，有明显的缩径变形，沿管外壁存在较完整的剪切唇，剪切唇陡峭，高约5mm。管壁内表面无明显的剪切唇，断口中央无纤维区，成撕裂的深沟状。图l断口全貌断口表面呈锈蚀状，其中有1／3区域为红褐色，说明该区开裂较早，其余部分为黑黄色，说明开裂时间较短。在早期断裂区中部存在多个明显的焊接未融合缝隙和气孔(图2中箭头所指)。钻杆的内外壁皆有锈蚀，而内肇还存在严重的点蚀。在焊接的焊缝区存在一个宽度约为30mm的明显腐蚀减薄带。经现场实测，钻杆外径为139ram，壁厚为11mm，而断口处外径为134mm，最小壁厚仅为5mm。可见在断

4、裂之前，焊口处已经产生了严重的缩径塑性变形，之后经历了裂纹的生成与扩展过程，因此不是突然断裂·李发年，男，1974年lO月生，工程师。辽宁省锦州市，121001。图2断口中央的气孔第37卷第3期化工机械37l的，而是属于韧性断裂，扫描电镜所观察的韧窝形貌也证实了这一点。2．2酸蚀分析将断【I样品切下一部分进行热酸腐蚀检验，酸蚀后可见，钻杆管材内外壁皆有腐蚀，特别是焊缝金属明显比母材金属腐蚀严重。外壁焊缝的断裂点产生在焊缝的中部，而内壁断裂点出现在焊缝与母材的熔合线上，即管头的内坡口上管头在焊接前开有V形坡口，(图3中A处)，焊材金属与内坡

5、口已经发生了剥离，这说明管母材与焊材在内擘的熔合不良；断裂钻杆的焊缝断口上存在严苇的气孔、未熔合裂纹、焊缝与母材结合不良等焊接缺陷，说明焊口的焊接质量存在问题；断裂钻杆的断裂区存在明显的缩径和剪切唇，断口E布满颜色不同的锈蚀层，说明断裂前首先发生了塑性变形。可以看出，焊缝熔合区硬度最低，热影响区硬度高于熔合区，母材区硬度最高。由于样品无法直接进行拉伸来测定强度，因此采用硬度换算法间接计算钻杆管材和焊缝区材料抗拉强度值。按标准进行换算川，得出管材平均抗拉强度为973MPa；焊缝区抗拉强度为705MPa。钻杆材料具有较高的强度与硬度，但对接两

6、管的焊缝区却是力学性能的薄弱区，其强度与硬度明湿低于管材。在管头与焊缝的交界处存在硬度的陡降，这应该足在拉应力的作用下，造成焊缝区缩径变形和焊缝材料与母材剥离的直接原因。2．5金相检验将样品的母材区和焊缝区分别进行非金属夹杂物观察，以检验钢材的冶金和焊接质鼍。图4、5分别是管材和焊缝区纵向非金属夹杂物最严莺视场情况。按评级标准进行分析旧1，管材和焊缝中的氧化物、硫化物及硅酸盐等夹杂物级别皆小于2级，符合该构件的材料质量要求。图3内坡口焊材金属剥离2．3化学成分分析将断裂钻杆样品的管材区取样进行化学成分分析，结果见表l。表1断裂钻杆管材的化

7、学成分％图4管材纵向表面的夹杂物×100元索CSiMnSPCrMo含量0．230．23J．390．0l80．0200．240．38结果显示钻杆材料属于优质低碳低合会结构钢，类似于25CrMo钢，涮质处理后应具有较高的强韧性，良好的耐蚀性和抗氧化性。但由于含锰较高，受热后容易造成晶粒的粗化。2．4硬度测定及强度分析在焊缝截面上自焊缝熔合区到母材取9个点进行显微硬度的检验，结果见表2。表2焊口截面不同区域的显微硬度分布测试点I23456789显微硬度HV0．22032382402722922962573063II图5焊缝区纵向夹杂物X100图

8、6是钻杆断口断裂前沿内壁一侧的组织形貌，为细小的铁素体和珠光体组织；图7足钻杆断口断裂前沿中部的形貌，为严重变形的网状铁素体和珠光体组织；图8为钻杆断口断裂前沿靠内壁一侧的组织形貌，是粗大枝晶