记 录 号 :JS-AL- 工 艺 设 备 ( 管 和 管 道 )-004 矿 热 炉 水 冷 保 护 大 套 焊 口 破 裂 事 故 摘 要 :2005 年 4 月 中 旬 某 厂 区 8 号 炉 2 号 电 极 -1 组 水 套 -2 号 水 冷 保 护 大 套 出 水 口 一 侧 下 部 外 侧 焊 口 发 生 破 裂, 冷 却 水 大 量 外 泄, 并 直 接 流 入 炉 缸 心 部 高 温 区, 与 高 温 铁 水 接 触, 瞬 间 中 国 应 急 分 析 网 产 生 大 量 水 蒸 气 和 水 煤 气, 急 剧 膨 胀 导 致 可 燃 气 体 和 固 体 炉 料 严 重 喷 溅, 而 造 成 人 员 伤 亡 的 重 大 事 故 经 过 破 裂 水 冷 却 保 护 大 套 的 宏 观 分 析 材 料 化 学 成 分 分 析 材 料 机 械 性 能 试 验 断 口 分 析 焊 缝 剖 面 分 析 及 金 相 组 织 分 析, 可 以 得 出 如 下 结 论 :1. 水 冷 保 护 大 套 的 结 构 设 计 能 够 满 足 水 冷 却 保 护 大 套 中 水 流 的 正 常 循 环 和 结 构 强 度 要 求 2. 水 冷 却 保 护 大 套 的 材 料 化 学 成 分 机 械 性 能 均 符 合 技 术 条 件 的 规 定 要 求, 材 料 组 织 属 正 常 3. 失 效 水 冷 却 保 护 大 套 没 有 按 照 设 计 图 纸 进 行 焊 接 和 安 装, 主 要 表 现 为 :a. 出 入 水 口 的 安 装 位 置 皆 被 倒 置, 致 使 保 护 套 被 倒 置 安 装 到 了 电 极 上, 从 而 使 水 冷 保 护 大 套 的 两 侧 形 成 水 流 不 通 的 深 水 槽 结 构 b. 制 造 施 工 偷 工 减 料, 保 护 大 套 底 部 钢 板 嵌 在 内 外 钢 板 之 间, 外 板 内 侧 没 有 施 焊, 致 使 结 构 承 载 能 力 下 降 4. 失 效 水 冷 却 保 护 大 套 由 于 安 装 倒 置, 两 侧 形 成 水 流 不 通 的 深 水 槽 结 构, 使 得 局 部 导 热 状 态 不 良 冷 却 水 夹 带 的 泥 沙 在 该 处 形 成 泥 沙 沉 积 和 结 垢, 泥 沙 沉 积 和 结 垢 进 一 步 恶 化 了 局 部 的 导 热 排 汽 状 况, 造 成 局 部 温 度 很 高, 高 温 水 发 生 汽 化 导 致 局 部 内 压 升 高 和 钢 板 鼓 包, 最 后 在 焊 缝 薄 弱 环 节 爆 破 检 查 见 到, 破 口 部 位 的 材 料 因 受 到 高 温 的 影 响, 已 发 生 明 显 劣 化, 表 明 破 口 局 部 实 际 温 度 达 到 650C 以 上 5. 失 效 水 冷 保 护 大 套 底 部 焊 接 制 造 质 量 不 良, 也 是 造 成 在 焊 缝 处 形 成 破 口, 并 迅 速 扩 大 的 原 因 关 键 词 : 碳 钢 ; 不 锈 钢 ; 矿 热 炉 ; 水 冷 保 护 大 套 ; 焊 缝 开 裂 ; 鼓 包 ; 塑 性 变 形 失 效 材 料 种 类 / 牌 号 : 碳 钢 ; 不 锈 钢 /0Cr18Ni9 概 述 2005 年 4 月 中 旬 乌 海 市 某 厂 区 8 号 炉 2 号 电 极 -1 组 水 套 -2 号 水 冷 保 护 大 套 出 水 口 一 侧 下 部 外 侧 焊 口 发 生 破 裂, 冷 却 水 大 量 外 泄, 并 直 接 流 入 炉 缸 心 部 高 温 区, 与 高 温 铁 水 接 触, 瞬 间 产 生 大 量 水 蒸 气 和 水 煤 气, 急 剧 膨 胀 导 致 可 燃 气 体 和 固 体 炉 料 严 重 喷 溅, 而 造 成 人 员 伤 亡 的 重 大 事 故 破 裂 水 冷 保 护 大 套 的 位 置 如 图 1 所 示 1
水 冷 保 护 套 破 裂 位 置 保 护 套 水 路 图 1 破 裂 水 冷 保 护 大 套 的 位 置 8 号 炉 通 过 三 个 自 焙 电 极 通 电 加 热 炉 料, 每 个 电 极 下 把 持 筒 的 底 部 环 为 普 碳 钢 材 质, 其 上 方 的 水 冷 却 保 护 大 套 是 采 用 0Cr18Ni9 奥 氏 体 不 锈 钢 板 通 过 焊 接 制 成 每 个 电 极 有 四 个 水 冷 却 保 护 大 套, 两 个 一 组 串 联 而 成, 冷 却 水 从 一 侧 上 部 进 入, 从 另 一 侧 上 部 出 来 后 又 进 入 第 二 个 水 套, 从 第 二 个 水 套 出 来 的 水 经 由 开 放 式 的 水 槽 流 入 蓄 水 池 冷 却 降 温, 因 此, 正 常 情 况 下 水 套 内 的 循 环 水 处 在 接 近 常 压 的 条 件 下, 总 出 水 口 温 度 一 般 在 50 以 下 测 试 过 程 与 结 果 破 裂 水 冷 却 保 护 大 套 的 宏 观 分 析 失 效 水 冷 却 保 护 大 套 发 生 破 裂 的 位 置 在 2 号 自 焙 电 极 -1 组 水 套 - 第 二 个 大 水 套 的 出 水 口 一 侧 的 下 端 角 部, 是 各 冷 却 保 护 大 套 所 受 温 度 最 高 的 区 域, 如 图 1 中 箭 头 所 指 位 置, 由 于 事 故 发 生 后 失 效 大 套 已 经 从 电 极 上 取 下, 所 摄 照 片 中 没 有 水 套, 仅 标 明 破 裂 位 置 2
图 2 是 失 效 水 冷 却 保 护 大 套 的 宏 观 形 貌, 破 口 是 沿 着 水 套 边 角 部 焊 缝 开 裂 的, 保 护 套 外 钢 板 ( 厚 度 8mm) 角 部 有 一 明 显 的 鼓 包, 鼓 包 直 径 约 20cm 显 然, 水 套 破 裂 与 水 套 局 部 受 热 产 生 的 较 大 内 压 作 用 有 关 钢 板 鼓 包 变 形 的 结 果 在 较 薄 弱 的 焊 缝 区 撕 开 一 个 口 子, 从 而 使 保 护 套 中 的 水 从 裂 口 处 喷 涌 而 出, 造 成 喷 溅 事 故 中 国 应 急 分 析 网 箭 头 所 指 处 的 外 侧 沿 角 部 焊 缝 开 裂, 局 部 有 明 显 鼓 包 图 2 水 冷 保 护 大 套 的 破 口 形 貌 为 了 分 析 大 保 护 套 局 部 内 压 产 生 的 原 因, 现 场 对 破 裂 失 效 的 保 护 大 套 进 行 了 解 剖 检 验 解 剖 见 到, 失 效 大 套 的 水 路 如 图 3 所 示, 两 侧 边 水 路 不 通, 为 深 水 槽 结 构, 如 图 4 查 西 安 华 兴 电 炉 有 限 公 司 的 相 关 保 护 套 设 计 图 纸 可 以 看 出 该 水 套 结 构 与 设 计 图 纸 不 符, 主 要 是 出 入 水 口 的 安 装 位 置 被 倒 置, 把 本 来 应 该 处 在 下 部 的 一 端, 倒 置 安 装 到 了 上 端, 从 而 使 水 冷 保 护 套 两 侧 形 成 深 水 槽 结 构 3
图 3 解 剖 后 所 见 到 水 冷 却 保 护 大 套 的 水 路 示 意 图 出 水 侧 破 裂 角 部 的 解 剖 形 貌, 箭 头 所 指 处 没 有 开 孔 进 水 侧 角 部 的 解 剖 形 貌, 箭 头 指 处 没 有 开 孔 4
样 后 失 效 保 护 大 套 的 形 状 图 4 对 失 效 水 冷 保 护 大 套 的 解 剖 和 取 样 情 况 在 两 边 水 槽 结 构 的 底 部 沉 积 了 大 量 的 泥 沙 和 积 垢, 测 量 出, 沉 积 泥 沙 的 最 大 深 度 达 到 15cm 以 上, 图 3 示 意 地 标 示 泥 沙 的 沉 积 形 状, 靠 保 护 套 侧 边 沉 积 较 厚, 保 护 套 中 水 路 畅 通 区 域 没 有 见 到 泥 沙 沉 积 和 结 垢 现 象 显 然, 泥 沙 沉 积 和 积 垢 与 壁 温 有 关, 两 侧 由 于 水 路 不 通, 不 能 有 效 地 进 行 热 交 换, 而 奥 氏 体 不 锈 钢 导 热 性 又 较 差, 只 有 当 结 构 底 角 部 的 水 温 达 到 沸 腾 温 度 附 近 时, 槽 内 水 才 可 能 在 汽 化 的 作 用 下 发 生 较 快 的 循 环, 进 行 较 快 的 热 交 换 因 此 保 护 套 底 边 角 部 可 能 在 使 用 过 程 中 达 到 较 高 的 壁 温, 造 成 局 部 泥 沙 沉 积 和 积 垢 当 然 造 成 泥 沙 大 量 沉 积 的 更 重 要 的 原 因 是 沉 积 该 死 角 位 置 的 泥 沙 不 能 通 过 水 流 被 带 走 冷 却 水 中 含 有 的 泥 沙 在 水 流 速 度 较 慢 水 温 较 高 的 地 方 易 泥 沙 沉 积 和 结 垢, 泥 沙 沉 积 和 结 垢 进 一 步 恶 化 了 底 角 部 的 热 交 换 状 况, 阻 隔 了 汽 化 水 的 通 路, 造 成 水 汽 压 力 不 能 释 放, 集 聚 的 结 果 在 局 部 形 成 较 高 的 内 压 为 了 进 一 步 检 查 失 效 水 冷 却 保 护 大 套 的 材 料 和 焊 接 制 造 质 量, 分 别 从 该 保 护 套 的 两 底 角 部 和 接 近 出 水 口 的 上 部 截 取 试 样 带 回 北 京 分 析, 取 样 位 置 参 见 图 4 材 料 化 学 成 分 分 析 在 失 效 水 套 远 离 破 口 位 置 的 上 部 外 板 上 (8mm 厚 板 ) 取 样 分 析 材 料 化 学 成 分 的 结 果 如 表 1, 表 中 同 时 列 出 0Cr18Ni9 钢 的 材 料 化 学 成 分 规 定 要 求, 对 照 看 出 水 套 材 料 的 化 学 成 分 符 合 规 定 要 求 表 1 材 料 化 学 成 分 分 析 结 果 及 规 范 要 求 对 照 (W/%) C Si Mn P S Cr Ni Ti Cu 水 套 材 料 0.038 0.53 0.96 0.026 0.001 17.35 8.18 <0.005 0.27 规 定 范 围 0.07 1.00 2.00 0.035 0.030 17.0~19.0 8.00~11.0 / / 材 料 机 械 性 能 试 验 拉 伸 试 样 取 自 发 生 鼓 包 的 水 套 的 同 一 块 钢 板, 但 取 样 位 置 在 入 水 口 位 置 附 近, 远 离 鼓 包 5
位 置 同 时 在 水 套 6mm 厚 的 内 板 上 也 进 行 了 取 样 常 温 拉 伸 试 验 的 结 果 如 表 2, 表 中 同 时 列 出 技 术 条 件 中 对 0Cr18Ni9 不 锈 钢 材 料 机 械 性 能 的 规 定 要 求 对 照 看 出, 钢 板 拉 伸 试 验 结 果 符 合 技 术 条 件 规 定 要 求 表 2 材 料 机 械 性 能 试 验 结 果 抗 拉 强 度 规 定 非 比 例 断 后 伸 长 率 中 国 应 急 分 析 网 Rm (MPa) 延 伸 强 度 Rp0.2(MPa) A(%) 冷 却 水 大 套 内 板 -1 620 275 58.5 内 板 -2 615 290 57.5 内 板 -3 615 280 57.5 冷 却 水 大 套 外 板 -1 660 275 51.5 外 板 -2 655 265 53.0 断 口 分 析 外 板 -3 655 270 54.5 规 定 范 围 520 205 40 从 破 口 位 置 取 样 观 察 断 口, 可 以 看 出, 所 有 断 面 位 于 焊 缝 及 附 近 热 影 响 区, 局 部 断 口 面 的 宽 度 很 窄, 最 窄 处 仅 有 约 2~3mm, 大 多 区 域 断 口 为 沿 晶 走 向, 属 非 正 常 的 脆 性 断 口, 如 图 5 对 照 检 验 常 温 拉 伸 试 验 的 断 口, 如 图 6, 为 完 全 的 韧 窝 状 韧 性 断 口 表 明 现 场 破 口 处 的 焊 缝 组 织 受 到 高 温 的 作 用 发 生 了 材 质 劣 化 断 口 低 倍 形 貌 6
断 口 微 观 形 态 断 口 附 近 内 表 面 形 貌 图 5 裂 口 部 位 的 断 口 形 貌 图 6 拉 伸 试 验 断 口 形 貌 焊 缝 剖 面 分 析 在 保 护 套 底 部 焊 缝 位 置 作 纵 剖 面, 看 到 焊 口 的 剖 面 形 态 如 图 7, 对 照 设 计 图 纸 可 以 看 出, 保 护 套 下 端 内 外 侧 的 实 际 焊 缝 与 都 A-A 截 面 图 不 一 致, 为 方 便 观 察 比 较, 图 7 示 意 地 标 示 了 该 位 置 的 结 构 设 计 要 求 设 计 图 纸 要 求 内 外 侧 钢 板 下 端 边 缘 都 位 于 底 板 之 上, 外 侧 钢 板 要 求 内 外 两 面 的 角 部 都 要 施 焊 而 实 际 结 构 底 板 夹 在 内 外 两 块 钢 板 之 间, 内 侧 没 有 施 焊, 因 此 实 际 结 构 的 强 度 大 大 低 于 设 计 结 构 7
设 计 图 纸 对 焊 缝 剖 面 要 求 的 示 意 图 金 相 组 织 分 析 图 7 底 角 边 部 焊 缝 低 倍 形 貌 图 8 为 在 破 口 附 近 取 样 得 到 的 金 相 组 织, 基 体 为 等 轴 状 孪 晶 奥 氏 体 组 织, 晶 粒 度 级 别 为 4 级 保 护 大 套 外 表 面 晶 粒 更 粗 大, 组 织 不 均 匀, 晶 粒 度 为 1~4 级 表 层 组 织 有 严 重 的 晶 间 氧 化 和 腐 蚀, 深 部 的 晶 界 上 可 见 析 出 的 碳 化 物 颗 粒 用 EDX 能 谱 仪 分 析 晶 间 氧 化 腐 蚀 产 物 中 有 很 高 含 量 的 硫 氧 元 素 富 集, 晶 界 析 出 相 为 富 铬 的 碳 化 物, 如 图 9 这 说 明 保 护 大 套 底 部 材 料 外 表 面 受 到 高 温 硫 和 氧 的 腐 蚀, 碳 化 物 在 高 温 下 沿 晶 界 析 出, 材 料 已 发 生 敏 化 由 于 正 常 条 件 下 0Cr18Ni9 可 以 在 650 以 下 长 期 使 用, 而 现 场 破 坏 的 保 护 大 套 使 用 时 间 不 到 一 年, 组 织 已 发 生 明 显 的 劣 化, 表 明 保 护 大 套 底 部 水 流 不 畅 通 位 置 的 最 大 受 热 温 度 应 超 过 650 8
边 部 组 织 基 体 组 织 外 表 层 晶 间 腐 蚀 形 态 外 表 层 氧 化 腐 蚀 形 态 图 8 保 护 套 破 口 附 近 的 组 织 表 层 晶 间 氧 化 腐 蚀 的 形 态 9
C O Si S Cr Mn Fe Ni dy-7_pt1 8.02 13.08 1.35 25.48 33.99 0.06 16.79 1.21 晶 间 区 的 EDX 成 分 分 析 基 体 中 的 晶 界 碳 化 物 Weight Concentration % C Si Cr Mn Fe Ni dy-8_pt1 6.89 0.65 39.38 1.38 47.12 4.60 晶 界 碳 化 物 的 能 谱 分 析 图 9 破 口 部 位 高 倍 组 织 形 貌 及 晶 界 成 份 分 析 10
内 外 侧 钢 板 和 焊 缝 的 组 织 如 图 10, 母 材 为 多 边 化 奥 氏 体 组 织, 有 明 显 的 加 工 遗 传 条 带, 焊 缝 组 织 成 长 条 形 其 中 : 内 侧 钢 板 的 晶 粒 度 7 级 ; 外 侧 厚 钢 板 晶 粒 度 7.5 级 ; 破 口 附 近 的 焊 缝 组 织 为 单 相 奥 氏 体 组 织, 晶 粒 度 4 级 ; 上 部 焊 缝 为 枝 晶 状 组 织, 奥 氏 体 基 体 分 布 枝 晶 状 铁 素 体 中 国 应 急 分 析 网 薄 板 组 织 厚 板 组 织 上 上 部 焊 缝 组 织 部 破 口 附 近 焊 缝 组 织 形 貌 图 10 各 部 位 材 料 的 金 相 组 织 形 貌 沿 板 拉 试 样 的 纵 向 截 取 试 样 制 成 金 相 样, 按 照 GB/T10651-99 最 严 重 视 场 评 定 非 金 属 夹 杂 物 的 级 别 为 : 薄 板 A1.5,B0.5,C1.5,D0.5; 厚 板 A1.5,B0.5,C2.5,D2.0 结 论 求 正 常 1. 水 冷 保 护 大 套 的 结 构 设 计 能 够 满 足 水 冷 却 保 护 大 套 中 水 流 的 正 常 循 环 和 结 构 强 度 要 2. 水 冷 却 保 护 大 套 的 材 料 化 学 成 分 机 械 性 能 均 符 合 技 术 条 件 的 规 定 要 求, 材 料 组 织 属 3. 失 效 水 冷 却 保 护 大 套 没 有 按 照 设 计 图 纸 进 行 焊 接 和 安 装, 主 要 表 现 为 :a. 出 入 水 口 的 安 装 位 置 皆 被 倒 置, 致 使 保 护 套 被 倒 置 安 装 到 了 电 极 上, 从 而 使 水 冷 保 护 大 套 的 两 侧 形 成 水 流 不 通 的 深 水 槽 结 构 b. 制 造 施 工 偷 工 减 料, 保 护 大 套 底 部 钢 板 嵌 在 内 外 钢 板 之 间, 外 板 内 侧 没 有 施 焊, 致 使 结 构 承 载 能 力 下 降 4. 失 效 水 冷 却 保 护 大 套 由 于 安 装 倒 置, 两 侧 形 成 水 流 不 通 的 深 水 槽 结 构, 使 得 局 部 导 热 11
状 态 不 良 冷 却 水 夹 带 的 泥 沙 在 该 处 形 成 泥 沙 沉 积 和 结 垢, 泥 沙 沉 积 和 结 垢 进 一 步 恶 化 了 局 部 的 导 热 排 汽 状 况, 造 成 局 部 温 度 很 高, 高 温 水 发 生 汽 化 导 致 局 部 内 压 升 高 和 钢 板 鼓 包, 最 后 在 焊 缝 薄 弱 环 节 爆 破 检 查 见 到, 破 口 部 位 的 材 料 因 受 到 高 温 的 影 响, 已 发 生 明 显 劣 化, 表 明 破 口 局 部 实 际 温 度 达 到 650C 以 上 5. 失 效 水 冷 保 护 大 套 底 部 焊 接 制 造 质 量 不 良, 也 是 造 成 在 焊 缝 处 形 成 破 口, 并 迅 速 扩 大 中 国 应 急 分 析 网 的 原 因 主 要 分 析 人 员 及 单 位 朱 衍 勇 教 授 级 高 工 钢 铁 研 究 总 院 杨 志 中 教 授 级 高 工 钢 铁 研 究 总 院 董 毅 工 程 师 钢 铁 研 究 总 院 资 料 整 理 人 : 王 冬 梅 国 家 钢 铁 材 料 测 试 中 心 校 核 人 : 吴 伯 群 国 家 钢 铁 材 料 测 试 中 心 12