制氫轉化爐TP321H豬尾管開裂原因分析

張維順 劉德宇 姜海一 石 凱

(1.中國石油烏魯木齊石油化工總廠；2.中國特種設備檢測研究院)

轉化爐是制氫裝置的關鍵設備，轉化爐豬尾管的失效引起了國內外學者的廣泛研究[1～5]。國內沿海某制氫裝置轉化爐于2010年6月投入使用，正常使用溫度820℃、壓力3.05MPa。2011年9月轉化爐爐管局部干燒溫度達到1 200℃以上，造成5根爐管爆管。轉化爐運行三年后停用一年有余，運行期間制氫裝置反復啟停18次。2014年4月重新啟用充氮升壓時，發現轉化爐上豬尾管出現開裂泄漏，存在穿透性裂紋，影響了整個生產線的運行。由于轉化爐的上豬尾管數量甚多，查清管子開裂原因對制氫轉化爐的安全運行至關重要，具有顯著的經濟效益。

1 宏觀檢查和表面探傷

上豬尾管主要用來吸收制氫轉化爐管受熱后的向上膨脹量，其材料為TP321H，操作溫度為520℃，主要介質為H2、CO、CO2和烴。對轉化爐所有豬尾管拆開保溫進行表面探傷，發現泄漏部位位于轉化爐管上法蘭蓋上焊口近爐管側，為環向裂紋，如圖1所示。部分豬尾管存在外表面裂紋，但并未沿壁厚方向貫穿，因此可以初步判斷裂紋起裂于外表面。隨后，對裂紋未貫穿豬尾管進行取樣宏觀檢查，發現外壁和內壁均較平滑，沒有明顯的腐蝕痕跡，如圖2所示。

圖1 泄漏部位

圖2 失效豬尾管的宏觀形貌

2 金相組織觀察

從裂紋部位取樣進行裂紋金相組織觀察，結果如圖3所示，可以看出，奧氏體晶界有碳化物析出相存在，裂紋以沿晶形式擴展，且在裂紋周圍有較多的析出相。

圖3 裂紋金相組織

3 EDS能譜分析

為了確定開裂原因，對裂紋處晶界附件與晶

界進行能譜分析，分析位置如圖4所示，分析結果見表1。可以看出，斷口表面除了含有主要合金元素外，還含有元素O和Cl ，且晶界附近的Cr元素含量比晶界處要低。

圖4 裂紋處能譜分析位置

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4 豬尾管開裂原因分析

4.1材料因素

TP321H為奧氏體不銹鋼，C含量較高，在奧氏體中處于過飽和狀態，當使用溫度超過425℃并在425～815℃范圍內停留一段時間時，過飽和的C就會向奧氏體晶粒邊界擴散，并和Cr元素化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如(Cr,Fe)23C6等，同時造成晶粒內部貧鉻，即敏化[6]。失效豬尾管操作溫度為520℃，處于敏化溫度范圍區間。此外，超溫運行和頻繁開停車也會對豬尾管材料造成一定的損傷。能譜分析結果中晶界附近Cr含量低于晶界處也表明了豬尾管材料在使用過程中出現了一定的敏化。

4.2應力分析

制氫轉化爐的管系集氣管、轉化管和豬尾管需靠眾多的彈簧吊架來維持一個平衡的受力體系，然而這一體系在冷態和熱態下是不同的。該制氫裝置自2010年投產以后，開停車次數高達18次，較為頻繁，且彈簧吊架多年未進行過調校，部分彈簧吊架已經失效或趨于失效，導致個別彈簧吊架失去作用，打破了整個平衡體系，當重新達到一個平衡點后勢必會造成局部受力點的應力集中。此外，豬尾管在制造安裝時，也不可避免地存在加工殘余應力。

4.3腐蝕環境

由于該加氫裝置位于國內沿海區域，空氣和雨水中均含有較多的Cl元素。制氫轉化爐開裂前已停用一年，豬尾管斷口能譜分析中發現的Cl元素也主要來源于空氣和雨水。Cl元素是導致奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕的重要條件之一[7，8]。氯化物應力腐蝕的裂紋擴展特征通常是穿晶的，但是在材料敏化狀態下，則有可能出現穿晶與沿晶混合或純沿晶特征[9]。而關于敏化態奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕的臨界Cl離子濃度，目前暫未有統一說法。Herbsleb G認為敏化態奧氏體不銹鋼在有無氯離子的常壓水溶液中都對沿晶應力腐蝕敏感[10]，方智等認為敏化態奧氏體不銹鋼在中性溶液中發生應力腐蝕的臨界Cl離子濃度為0.4mol/L[11]。

5 結束語

此次開裂失效豬尾管裂紋開裂機理為典型的敏化態奧氏體不銹鋼氯化物應力腐蝕開裂，在拉應力和腐蝕介質聯合作用下，敏化態TP321H材料晶界沉淀相優先發生溶解，形成微裂紋，隨著時間的推移，裂紋逐漸擴展，最終導致豬尾管開裂泄漏。為了保證制氫轉化爐的安全運行，應盡量避免超溫、超壓和頻繁開停車所造成的溫度與壓力劇烈波動。

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