双相钢压力管道S32205爆燃事故分析
摘要：本文通过一起S32205双相不锈钢制压力管道爆燃事故分析，对事故弯头进行了无损检测、成分分析、硬度检测、铁素体含量检测、金相检验、力学性能试验，研究了双相不锈钢铁素体含量对钢材性能的影响，指出通常双相钢铁素体和奥氏体各50%的设计未考虑热成形或焊接热加工对铁素体量增加导致组织性能下降的影响，双相不锈钢铁素体含量应45%和奥氏体应55%为适宜。
1. 引言
某石化项目加氢裂化装置试车,在氢气升压过程管线上一弯头发生开裂,导致氢气介质泄漏爆燃，经济损失巨大。该管线设计压力：15.37MPa，设计温度：200℃，操作压力：13.76MPa，操作温度：154℃，介质：热高分油气（主要成份氢气）。事故弯头规格为Φ609.6mm×36mm，材质为ASTM A815 S32205，直管材质：ASTM A790 S31803。
现场检查开裂弯头，弯头本体开裂连续长度约1.84米，弯头周长为1.91米，开裂在弯头范围之内，几乎贯穿整个圆周，裂缝断口呈脆性断裂特征，见图1图2。弯头开裂的边缘一端接近焊缝，开裂的另一端边缘距离焊缝约160mm，在弯头开裂的焊缝另一侧的焊接接头熔合线有一条113mm的裂纹见图3，深9.5mm，弯头壁厚36mm，而该焊缝熔敷金属未见开裂。
该批弯头管件在验收时进行了10%的光谱检测和100%渗透检测，验收合格后投入安装的，验收时的无损检测并未发现缺陷。
2.无损检测及理化检测
2.1 弯头及焊接接头的无损检测
对事故弯头（下称No1弯头）的本体及未发生事故的同类弯头（下称No2弯头）本体进行100%超声检测与渗透检测检测，对焊接接头进行了100%射线检测、磁粉检测与渗透检测，检测结果显示，除事故开裂处及图3的熔合线裂纹外，弯头本体未见其它缺陷，这证明在弯头事故前的无损检测无缺陷的结果是可信的。
2.2管件的硬度与铁素体含量检测
2.2.1硬度检测
对No1弯头和未开裂的No2弯头的本体使用里氏硬度计进行全面网格硬度测定，硬度测定结果显示：No1弯头总共检测了210点，硬度范围HB240~HB344,均超过产品质量证明书的测定值HB 215～HB225，其中有119点硬度值超过HB290（ASTM A815标准上限为HB290），弯头外弯部位总共测了93点，硬度超过HB290的有69点。
No2完好弯头硬度总共检测了192点，硬度范围HB240~HB325,均超过产品质量证明书的测定值HB 215～HB225，其中有74点硬度值超过HB290（ASTM A815标准上限为HB290），弯头外弯部位总共测了93点，硬度超标的有47点。
2.2.2铁素体含量检测
分别对No1弯头和No2弯头的外壁进行铁素体含量测定各测72点，No1弯头的铁素体含量为46.9%～71.7%， No2弯头的铁素体含量为 41.6%～69.4%；No1弯头所连直管铁素体含量为 44.6%～59.4%，No2弯头所连直管铁素体含量为 44.6%～56.5%，No1、No2弯头各有超过20%以上测试点铁素体含量超过60%。相对直管而言，No1弯头和No2弯头铁素体，含量不均匀，波动范围较大，高限超过标准允许值60%铁素体含量，不满足GB/T21833-2008《奥氏体铁素体双相不锈钢无缝钢管》中第5.9条规定铁素体含量为40%～60%的要求。
表2 弯头的铁素体含量
2.3管件的成分检测、金相检验与力学性能检测
2.3.1成分检测
截取弯头和直管进行化学成分分析，分析结果(见表3 )表明，弯头和直管的化学成分均能满足相关标准的要求。
2.3.2金相检验
对No1弯头进行金相检验，发现金相组织异常粗大(晶粒尺寸达到2～6mm，见图4)，晶粒度低于00级，比正常晶粒尺寸增大约100倍，表现出典型的过热组织特征，No2弯头金相组织也有一定的过热特征（见图5），晶粒尺寸小于No1弯头。No1及No2弯头相连的直管段金相组织正常。
2.3.3力学性能检测
2.3.3.1延伸率
事故弯头外弧部位截取4件拉伸试样中有3件试样的延伸率不符合ASTM A815标准中延伸率应大于25%的要求，4件拉伸试样拉伸试验结果分别为20%、22%、24%、27%，其中延伸率为20%、22% 的试件处于靠近开裂处的弯头外弧位置。
2.3.3.2冲击功
直管试件的冲击功为292J,292J,293J,No1弯头外弧位置的冲击功为149J,174J,160J。热成形加工后的弯头冲击功明显低于直管段的冲击功。资料【1】显示冲击功应大于250J。
3.型式试验
根据TSGD7002－2006《压力管道元件型式试验规则》【2】的规定，相应管件应经TSGD7002－2006规定的型式试验（技术文件审查、样品检验测试和安全性能试验）来验证热加工成形的产品安全性能是否满足安全技术要求。而该批管件提供的型式试验报告是冷成形加工工艺，与该批管件实际热加工成型工艺不符合。也就是该批管件实际热加工的工艺未经TSG D7002 TSG D7002安全技术规范规定的型式试验的验证，管件的安全性能质量无法保证。
4.分析讨论
4.1针对已成形缺陷的无损检测
双相钢管件在施工前验收时做了超声、渗透检测，经No1弯头和No2弯头事故前后的超声、渗透检测对比，事故前后的弯头无损检测结果是一致的。也就是在开裂前，弯头不存在裂纹等缺陷。对于在开裂弯头焊缝另一侧熔合线发现的113mm长的裂纹，经核查事故前射线底片，该位置事故前无裂纹，此裂纹被认为是事故中产生的。综合对比前后无损检测结果，可以判定事故前弯头无损检测的结果是可信的，弯头没有存在已成形缺陷如裂纹、未焊透、未熔合等，但是后来在弯头本体产生了1.91米长的脆性大开口开裂，因此仅针对可能存在的已成形缺陷（如裂纹、未焊透、未熔合等）的无损检测是不够的、是有局限性的。
4.2针对成分组织性能不合格（未成形缺陷）的无损检测
安装时施工单位按照SH/T3501的要求，对管件按质证书、外观、尺寸规格、标志、光谱10%、表面检测100%进行验收，其中光谱是针对成分的检测，表面检测是针对已成形缺陷的检测，未按安全技术规范TSGD7002－2006的规定进行型式试验证书的检查，也未按ASTM A815【3】及GB/T21833-2008规定对管件的组织性能进行检测，即未检测铁素体含量和硬度。
成分分析（含光谱检测）属于成分检测，铁素体含量测试属于组织检测，硬度检测属于性能检测。在金相组织中马氏体硬度高于珠光体，珠光体硬度高于铁素体，铁素体的硬度高于奥氏体，故通过硬度值可大致了解材料的金相组织、以及材料在加工过程中的组织变化和热处理效果。No1弯头和No2弯头成分检测符合标准规定，但铁素体含量超过了标准规定60%，硬度值超过标准规定的HB290,证明No1弯头和No2弯头虽然化学成分符合要求，但组织性能发生了劣化，施工前必须按专业标准规范TSGD7002－2006、ASTM A815及GB/T21833-2008的要求，进行型式试验的检查和组织性能检测（铁素体含量检测、硬度检测）。
4.3 工艺加工性与使用耐久性
标准规定S32205双相不锈钢固溶处理温度为1020℃~1100℃，当加热到1200℃以上时，S32205双钢钢高温延伸率会大大提高，可达1200%，极便于加工成型，但冷却后会导致晶粒急剧粗大，性能急剧劣化，表现为硬度超过HB290，铁素体含量超过60%，材质脆化。因此S32205双相不锈钢热加工时（含焊接）不仅应考虑工艺加工性的便利，更要考虑加工成型后的使用耐久性，而使用耐久性是由组织和性能决定的。通过工艺控制S32205双相不锈钢铁素体含量低于60%，尽量接近于50%的中间值，硬度低于HB290，尽量接近于原材料硬度值，是保证S32205双相不锈钢使用耐久性（避免开裂）的关键因素。
4.4弯头的失效机理
从试验和检查数据看，No1开裂弯头及同批管件由于使用未经型式试验验证合格的工艺进行热加工，造成晶粒粗大、硬度超标、铁素体含量超标、延伸率下降、冲击韧性下降、材质脆化，导致No1弯头发生了开裂，而同批管件由于工艺相同，存在材质劣化导致开裂的可能。
随着固溶处理温度的升高，铁素体相的比例增加，奥氏体相的比例下降。1200℃以上固溶铁素体晶粒显著增大【4】。据文献【5】不同固溶温度下2205双相不锈钢两相比例见表4
由表4可以看铁素体含量是随着固溶温度的提高而提高的，当铁素体含量为65.4%时对应固溶温度是1300℃，这大大超过ASTM A815及 GB/T21833-2008规定的S32205双相不锈钢固溶处理1020~1100℃范围的要求。铁素体含量大于60%的超标和硬度的大于HB290的超标可以揭示双相钢热加工固溶处理温度的超过1100℃的超标。
双相不锈钢具有铁素体+奥氏体的两相组织结构，通常将铁素体/奥氏体控制在50%／50%(体积分数)，所以它同时具有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的性能特点。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，并且还保留了铁素体不锈钢热导率高、线膨胀系数小、具有超塑性等特点；与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢强度较高，特别是屈服强度显著提高，且耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能都有明显的改善。
由于随着热加工固溶温度的升高，S32205双相不锈钢组织中的铁素体相含量是逐渐增加的，而当铁素体含量超过60%时，双相钢晶粒急剧粗大【5】，硬度急剧上升，材质脆化。相关标准未考虑焊接等热加工后导致铁素体含量增加对组织性能下降的影响，因此应把铁素体相与奥氏体相比值从50%:50%调整为45%：55%，为管件热成形、焊接等热加工预留铁素体相增加的空间，防止热加工后铁素体相增加导致的材质脆化。焊接是一个急剧加热冷却热循环过程，GB50517、SH3501、SH/T3558对焊缝金属铁素体含量规定为30%~60%是适宜的。焊接过热区经历过急剧的热循环，也存在晶粒粗大，硬度升高，过热导致铁素体相增加的问题，因此在熔合线产生了图3的熔合线裂纹。
4.5基于失效机理的无损检测
现代无损检测的定义：在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方法。从定义来看，四项常规无损检测，声发射，涡流属于无损检测，硬度、铁素体含量、光谱、金相检测也属于无损检测。
通常的无损检测指射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测、声发射检测、涡流检测、目视检测以及TOFD检测和相控阵检测等，主要是针对材料中存在的不连续（缺陷）的检测，通常大家关注已成形缺陷（如裂纹、未焊透等）的检测，以及持续关注检测技术的提升，而没有未成形缺陷（材料中存在的成分组织性能不合格）的加以关注，而材料成分组织性能的不合格更容易转化为成形缺陷产生断裂等严重事故。
TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》8.2.1规定应当根据压力容器的使用情况、损伤模式及失效模式，制定检验方案，也就是要通过查阅研究以往同类资料，根据设备的使用情况，事先掌握该设备材料失效模式，有重点有针对性制定检验检测方案，避免无的放矢，造成漏检。检验方案中有针对性的方法的遗漏是别的检测方法所无法弥补的。
S32205双相不锈钢失效机理就是热加工温度超过1100℃后，会产生晶粒粗大，铁素体含量大于60%，硬度超过HB290，材料脆化，但不一定马上产生开裂，因此应针对失效机理在管件验收时应进行质证书核查、型式试验证书核查、外观检查、尺寸规格检查、标志的检查，光谱检测，100%的表面检测，100%的硬度检测，100%的铁素体检测，100%的测厚检测。无损检测不仅要针对已成形缺陷，也要针对未成形缺陷的成分组织性能的不合格，已成形的缺陷是缺陷，未成形的成分组织性能的缺陷也是缺陷，有时未成形的缺陷比已成形的缺陷危害更大，只有基于失效机理的无损检测才是有效的无损检测。
5.结论
5.1、广义的无损检测不仅应包括对已成形缺陷的检测，还应该包括未成形缺陷（成分组织性能不合格）的无损检测，常规的无损检测不能（成分组织性能的不合格），基于失效机理的无损检测可以检出未成形缺陷，实现失效的早期预警。
5.2、硬度检测作为性能快速检测的方法应在材料失效预警的检测中广泛应用。
5.3、S32205双相不锈钢管件在检验时应采取铁素体含量检测和硬度检测来实现组织性能失效的预警。S32205双相钢铁素体含量应严格控制60%以下并接近于50%的中间值，硬度应严格控制HB290以下，硬度值达到或超过HB290、铁素体含量达到或超过60%，极易发生开裂失效。
5.4、铁素体含量大于60%和硬度值大于HB290的超标揭示的是S32205双相不锈钢热加工处理温度大于1100℃的超标和组织的脆化。
5.5、考虑焊接和热加工成形导致铁素体含量增加对组织性能下降的影响，S32205双相钢铁素体含量应控制45%（30%~60%）左右为宜，焊缝铁素体含量应控制在30%~60%，铁素体含量接近或超过60%极易发生脆化开裂失效。