99压力设备疾病:脆性断裂

在本系列的前几部分中，我已经讨论了许多腐蚀和退化问题、一些环境开裂疾病、冶金退化机制、与焊接相关的问题和一些外部腐蚀问题。在第14部分，我将介绍一些与工艺设备相关的最危险的“疾病”，这些疾病可能并且确实会导致灾难性的压力设备故障:脆性断裂。

脆性断裂

脆性断裂是在应力(残余和/或施加)下的突然、非常迅速的断裂，其中材料表现出很少或没有塑性或塑性退化的证据。这是什么意思?与大多数拉伸失效不同的是，材料在过载条件下发生塑性应变，在断裂点变得更薄，当一件设备遭受脆性断裂时，没有变薄或缩窄。相反，它会“像玻璃一样”毫无征兆地破碎，事实上可能会“像玻璃一样”破碎成许多块。那些真正听到或看到过脆性骨折的人可以证明它是多么“可怕”，多么突然，多么响亮。

最易受影响的材料是碳和低合金钢，但也包括400系列马氏体钢，如12cr品种。有许多关键因素结合起来导致脆性断裂的易感性。其中一个最重要的因素是温度。如果钢的温度低于其脆变韧转变温度，则易发生脆性断裂。将这种“低温情况”与一个临界尺寸的裂纹和该裂纹上的高应力(应用或残余)结合起来，那么你可能会经历脆性断裂。就像我们大多数人听说过的“火三角”一样，我们也有脆性断裂三角。脆性断裂三角形的三面均为1)韧性低(造成我的材料性能或低温);2)材料中的临界尺寸缺陷(如焊接缺陷或其他应力集中);3)裂纹上的高应力(就像喷嘴或附加焊缝的边缘，即三轴应力状态)

其他因素可以也确实会增加脆性断裂的敏感性，包括:a)冶金降解，就像某些钢在较高温度下可能发生的，如回火脆化、石墨化、西格玛相脆化和885脆化;B)钢的清洁度和晶粒结构，例如大晶粒尺寸和钢污染物通常会降低钢的韧性，这是抗脆性断裂的一种措施;c)材料厚度，即构件越厚，由于较高的三轴应力导致脆性断裂的可能性越高。较厚的材料产生更高的约束状态，因此不太可能在应力下变形，而不是裂纹的萌生和扩展。

在役脆性断裂是一种概率非常低，后果非常严重的事件，必须“不惜一切代价”避免。因此，检验人员、工程师和操作人员必须了解在脆性到延性转变温度(这是冶金学术语，指在耐脆性断裂的温度范围内操作的材料的脆性断裂)以下操作的潜在危险。API RP 920，压力容器脆性断裂的预防(不幸的是现在已经绝版)，概述了一些有效的检查和维护步骤，以避免这种潜在的。在加氢工艺环境中，控制厚壁设备的冷却和加热速度需要特别注意和详细的程序。API RP 579(第3部分)，适用于服务也提供了如何评估设备脆性断裂的潜在可能性的良好指导。在役压力容器检验规范也包含了避免压力容器脆性断裂的良好指导。

每隔几年，我就会读到由于脆性骨折而导致的灾难性损失/事故。我所知道的最后一个致命事故是在澳大利亚维多利亚州的一家燃气厂，它导致了两人死亡，对公司来说是一个非常大的损失，以及对客户的巨大影响，因为在一些寒冷的气候条件下没有取暖燃料。在此之前，美国中西部一家石化工厂的乙烯装置的一个喷嘴断裂，从操作柱上脱落，导致灾难性的事故和巨大的火灾。

需要为每一件易受影响的设备建立一个最重要的完整性操作窗口(IOW’s)，其中规定了最低设计金属温度(MDMT)，低于该温度的设备不应操作，因为会增加脆性断裂的敏感性。在澳大利亚的事故中，除了一名操作人员外，其他所有人都表示，他们的冷却器在发生灾难性故障前突然结冰，他们不知道可能会发生脆性断裂或MDMT。

幸运的是，我听到或读到的许多脆性断裂都是在船舶停止使用时发生的，而且通常是水压试验操作的结果。不久前，墨西哥湾沿岸一家大型炼油厂的催化裂化装置发生了严重裂缝。该容器在运行中通过在容器内径因耐火材料恶化而形成的热点上安装一个耐火衬盒进行了修复。在随后的T/A中，在船舶修理时，一声巨响吓了正在船舶内部工作的工人们。图1和图2所示的裂缝从盒子中发出，并围绕着这个大型压力容器旋转了近180度。

另一个在互联网上流传的脆性断裂的经典例子是几年前在水压测试中发生的脆性断裂。见下图3和4。

这是我在水力测试过程中所了解到的众多问题中的一个，根据历史，这似乎是最容易发生脆性断裂的时间之一，原因有很多，包括:1)为了确保测试在脆性到韧性转变温度以上进行，往往没有足够的注意到需要加热水(从而加热金属);2)水压试验经常在较低的环境温度条件下进行，从而加剧了温度控制问题;3)在对易发生脆性断裂的设备进行水压试验前，往往对探伤不够重视;4)参与决定是否进行水压试验以及如何进行水压试验的人员往往不了解脆性断裂的风险。我记得在水压测试期间，一个新的manway重铺板发生了脆性断裂，在焊缝边缘有一个几乎无法察觉的小瑕疵。大多数导致断裂的应力集中仅仅来自于尖锐的几何应力集中，即焊缝与母材相遇时，没有足够的流线衬和轮廓，即焊缝磨削以平滑过渡。

对于易发生脆性断裂的设备来说，气动试验比水压试验更具风险。气动测试的脆性断裂风险要高得多，因为脆性断裂的后果要高得多。正确进行的水压试验(即加压过程中容器中没有空气)导致脆性断裂的后果是相当低的(仅在水压试验期间)，通常只包括容器的损失。另一方面，在气动试验(或液压气动试验)中发生脆性断裂的后果通常是船的巨大碎片以极高的能量推进数百英尺的结果，有点像世界上最大的手榴弹。任何气动压力测试都不应该在没有对脆性断裂的潜在危险非常了解的人参与的情况下进行。在重型墙壁设备上更是如此。

另一种石化类型的操作可能并已经造成脆性断裂，涉及氮气冷却或由于其他原因向压力设备注入气态氮。如果该过程涉及到正在气化的液氮，那么至关重要的是，设备的设计和操作在“故障安全”的方式，防止任何液氮绕过气化炉(加热器/汽化器)和进入设备，不是为气化液氮极低的温度设计的。几个壮观的脆性断裂就是由这样的情况造成的。

人们常说，“你不能检查脆性断裂”。但这并不完全正确。虽然我们不能像检测腐蚀那样检测脆性断裂，但我们可以根据API 579第3节的要求，通过适用于服务(FFS)分析来检测潜在的关键缺陷。有时只需要一个非常小的缺陷就会引起脆性断裂，特别是在厚壁设备中。检查人员询问工程师在正常操作、潜在的误操作、启动或关闭条件下，设备是否容易发生脆性断裂，这一点很重要。如果是这种情况，那么就应该进行FFS分析，以便检查人员知道在哪里寻找，寻找什么尺寸的缺陷，然后需要消除这些缺陷，以避免可能的脆性断裂。如果设备在使用过程中由于某种冶金退化而失去韧性，例如回火脆化，那么临界缺陷尺寸可能会随着年龄的增加而减小。如果是这样的情况，或者在使用过程中可能出现裂纹样的缺陷，那么就应该设计一个对易受影响设备的检查程序，以定位、测量和修复这些可能存在的关键缺陷，例如在加氢工艺设备中。

结论

在本系列的第14部分，我已经介绍了99种可能导致压力设备故障的“疾病”中的一种;但还有更多的腐蚀和退化问题。下次，我将介绍与焊接缺陷/缺陷相关的更多类型的设备退化。同时，在讨论过程中，您的现场是否有明显的脆性断裂的可能性:1)基于风险的检查计划，2)变更问题的管理，3)工艺危害分析，以及4)所有压力测试?对于在使用中容易发生脆性断裂，特别是由于无意操作导致的脆性断裂的所有设备，你们是否建立了完整性操作窗口(IOW’s)，以规定最低设计金属温度(MDMT) ?当你们使用MDMT对压力容器进行维修时，你们是否采取步骤建立(FFS)和发现(NDE)任何可能在使用中或在压力测试期间引发脆性断裂的缺陷?你们所有的作业人员是否都具备MDMT的基本知识和理解，以帮助避免工厂中压力设备的脆性断裂?请记住，只将这些重要的信息保存在您公司的少数几个工程师或技术专家那里是没有什么好处的。

如果你对压力设备的99种疾病有意见或反馈，请通过IJ在inquiries@www.bdglory.com上转发给我。188游戏平台下载我现在已经涵盖了99种疾病中的75%。你还想让我解决哪些问题?