中變氣出口管線焊縫泄漏分析和應對措施

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

1 裝置概況

3號制氫裝置以天然氣為原料，采用蒸汽轉化法造氣和變壓吸附(簡稱PSA)法氫氣提純的工藝技術,設計制氫能力55 kt/a。制氣部分由中石化上海工程有限公司設計，PSA提純單元由專利商提供成套的技術，所產氫氣送公司氫氣管網，供芳烴部、煉油部等使用。

該制氫裝置屬甲類生產裝置，火災危險性介質主要有甲、乙類可燃氣體、甲A類可燃液體。 2012年7月中交，9月29日開始點火烘爐，11月25日裝置正式開車。

2 工藝簡介

該裝置造氣部分主要由加氫、脫硫、轉化和中變4個部分組成。

(1)原料氣進入加氫反應器R-2001，在催化劑的作用下，發生加氫反應，使原料氣中的硫轉化為硫化氫。

(2)加氫后的物料進入裝有脫氯劑、脫硫劑的脫硫反應器R-2002A/B，在此進行脫硫、脫氯，精制后的氣體中總硫質量分數小于0.5 μg/g，總氯質量分數小于0.4 μg/g，然后進入轉化部分。

(3)經預處理后的原料氣在進入轉化爐F-2001之前，按水碳比一定的比例，與裝置自產的3.5 MPa水蒸氣混合，轉化爐爐管內裝有轉化催化劑Z417/Z418(NiO)，在催化劑的作用下，原料氣與水蒸氣發生轉化反應。

經過冷卻脫水的中變氣進入PSA吸附提純，獲得純度大于等于99.9%的產品氫氣，并入公司氫氣管網[2-3]。

3 E-2004出口中變氣管線焊縫泄漏

E-2004為中變氣/除鹽水換熱器，進E-2004管線(P10701)中變氣溫度為165 ℃，出口管線(P10705)中變氣溫度為95 ℃,與未經過換熱器管線(P10704)溫度165 ℃進行混合，混合后的溫度為158 ℃(流程見圖1)。該氫氣管道平時操作壓力2.5 MPa。

圖1 換熱器出口中變氣管線

該區域中變氣管線材質為TP321，在管線P10705二股溫度相差70 ℃左右中變氣混合區域處焊縫工作條件苛刻，一方面該區域溫度時刻變化，另一方面受物料介質二氧化碳、一氧化碳和水蒸氣等影響。

該區域管線焊縫分布見圖2。在2015年8月19日3號焊縫泄漏,2016年3月3日4號焊縫泄漏,2017年5月7日3號焊縫泄漏，相同工況在煉油部2號制氫也泄漏兩次。

圖2 管線焊口號

引起3號制氫裝置非計劃停車，對公司芳烴部高壓加氫、煉油部中壓加氫、渣油加氫等裝置降負荷操作等，影響極大。

4 焊縫泄漏原因分析

2015年8月裝置停車，為了分析該管道焊口開裂失效原因，對該焊口進行現場分析。

4.1 管道焊縫及母材材料化學成分

為了確認所用材質，對管道母材和焊縫進行了化學成分分析，分析結果見表1。由表1可以確認,現場用材設計符合成分要求，為TP321奧氏體不銹鋼管材。

4.2 管道焊縫開裂及斷口宏觀形貌

圖3為焊縫開裂部位內外壁宏觀形貌。從圖3可以看出,外壁裂紋位于焊縫中央，沿焊縫方向呈筆直型開裂。從內壁觀察裂紋起裂于焊縫熔合線。開裂處內外壁均無變形跡象，說明裂紋呈脆性開裂特征。裂紋兩側并未發現細小的分枝裂紋。

圖4為焊縫斷口宏觀形貌。從圖4可以看出，整個斷口較為平坦，明顯存在起裂區、裂紋擴展區,外壁邊緣有剪切唇存在,斷口呈脆性特征。

表1 氫氣管道母材與焊縫材料化學成分分析 w,%

圖3 焊縫開裂部位內外壁宏觀形貌

圖4 焊縫斷口宏觀形貌

4.3 管道材料金相組織分析

為了檢查材料內部是否存在缺陷和材料組織是否異常，對貫穿裂紋附近進行材料金相檢查。圖5為裂紋金相試樣照片。

從圖5可以清楚地觀察到裂紋起裂始于內壁焊縫熔合線，呈筆直單條擴展穿透外壁。從內壁表面觀察此處焊縫有較大堆高。熔合線母材表面存在焊前機械打磨留下的有規則的條紋。由于焊縫堆高與母材連接處形成“缺口”效應，在此處裂紋萌生。

圖6為裂紋附近部位材料的金相照片。從圖6可以看出,母材組織為奧氏體+孿晶+少量碳化物，焊縫組織為奧氏體粗狀晶+少量鐵素體δ相。裂紋兩側有穿晶小裂紋，熔合區未發現有明顯缺陷存在。

圖6 裂紋附近材料金相照片

4.4 管道裂紋斷口微觀形貌分析

為了解焊縫開裂的失效機理，將裂紋面進行SEM(掃描電子顯微鏡)斷口微觀形貌分析。

圖7和圖8為裂紋起裂區斷口的微觀形貌。從圖7和圖8可以觀察到,起裂區斷口未發現缺陷存在。在裂紋擴展區斷口上可觀察到典型的疲勞輝紋花樣。

圖9為最終斷裂區斷口的微觀形貌。從圖9可以看到明顯的裂紋擴展的前緣線標記，局部可觀察到有韌窩狀花樣。

圖10為始裂區和最終斷裂區斷口的微觀形貌。從圖10可以看出,由于起裂區開裂時間長，斷口上留有較多的腐蝕產物，而最終斷裂區斷口較為新鮮，呈典型的脆性疲勞斷口特征。

圖7 裂紋起裂部位的斷口微觀形貌

圖8 裂紋擴展區的斷口微觀形貌

圖9 裂紋最終斷裂區的斷口微觀形貌

圖10 最終斷裂斷口微觀形貌

4.5 管道焊縫開裂失效綜合分析

4.5.1 疲勞斷裂機理分析

疲勞是材料在交變應力下(遠低于屈服應力)持續作用下發生的斷裂現象。疲勞破壞過程主要分為4個階段。

(1)疲勞裂紋的形成。裂紋成核階段交變應力作用—滑移—金屬的擠出和擠入—形成微裂紋的核。影響疲勞裂紋擴展的前提條件必須有交變載荷存在，其次產生疲勞裂紋萌生的影響因素主要有：材料臨近表面區存在夾雜物、機械傷痕和腐蝕凹坑，結構幾何不連續處(焊縫未焊透、焊縫熔合線咬邊、幾何形狀突變等)。交變應力作用致使金屬表面產生不均勻滑移，并形成駐留滑移帶，進而駐留滑移帶上形成擠出峰和擠入槽，導致裂紋的萌生。該階段沒有疲勞條帶特征。

(2)微觀裂紋擴展階段。疲勞裂紋擴展第二階段會形成疲勞條帶，隨著拉應力的增加，交變滑移面上的滑移，引起裂紋張開和裂尖鈍化;隨著壓縮應力的增加，在交變滑移面上，由于部分滑移面倒置，致使裂紋閉合和裂尖再次鈍化。

(3)宏觀裂紋擴展階段。

(4)斷裂。當裂紋擴展達到臨界尺寸時，發生最終的斷裂。

4.5.2 濃度變化

從現場可以看到焊縫裂紋產生部位在E2004出口管道三通下面兩股溫度不同(一股165 ℃左右，另一股95 ℃左右)中變氣混合區域，溫差在70 ℃左右且時刻變化。

5 解決措施

(1)取消E2004出口管線P10705處3號、4號和5號3條焊縫(其中3號和4號兩條焊縫已發生過泄漏)，采用管件組合件。從根源上解決該管線由于溫度、物料等交變載荷引起的疲勞。

(2)對該區域同批次同材質管線焊縫進行射線檢測普查，2016年共檢查焊縫69道，返修4道，2017年查16道，返修6道。

(3)嚴格選用焊絲，施工隊伍嚴格按照焊接規程作業，嚴格執行焊接工藝要求，按規范進行驗收。

6 結 論

(1)根據對材料的化學成分分析，現場用管材與原設計相符，為TP321奧氏體不銹鋼管材。

(2)根據管道材料金相組織分析，造成開裂的主要影響因素是由于內壁焊縫堆高太深，使焊縫與母材之間形成“缺口”效應，引起應力集中，在該處造成疲勞裂紋的萌生。

(3)根據斷口宏觀形貌和微觀形貌分析，本次造成管道焊縫開裂失效的主要原因是由于交變載荷引起的疲勞裂紋擴展所致。

[1] 韓其利,王賢山,魏艷艷,等.焦化干氣制氫裝置提高制氫量研究[J].當代化工,2016,45(4):803-804,808.

[2] 宋強波.大型制氫裝置的工程應用[J].廣州化工,2017,45(17):145-146,149.

[3] 孫維.制氫裝置尾氣中的CO2回收及利用[J].科技經濟導刊,2017(25):115,110.