制氫裝置集氣管開裂原因

盧雪梅,黃超鵬,宋文明,李燕姣,賈雅妮,侍吉清

(1.機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司,上海 201518；2.上海藍濱石化設備有限責任公司,上海 201518)

某公司在制氫中采用德希尼布(Technip)轉化爐生產氫氣及合成氣，轉化爐的上集氣管為進料系統，管內介質為水蒸氣+天然氣，在轉化爐爐管內通過催化劑進行吸熱反應，從而產生氫氣等氣體。上集氣管材料為TP347H鋼，設計工作溫度為635 ℃，設計工作壓力為4.3 MPa。

2018年11月，轉化爐由于上游天燃氣斷供30 min左右，轉化爐作為一個工藝吸熱反應爐,無天燃氣進入爐管內部,其燒嘴燃燒產生的煙道氣熱量無法被帶走,導致集氣管工作壓力從4.0 MPa下降至3.0 MPa，工作溫度急速上升至675 ℃。事故之后停車檢查，發現上集氣管異徑連接管開裂，開裂位置如圖1所示，為找到制氫裝置集氣管開裂的原因，筆者進行了理化檢驗與分析。

圖1 集氣管開裂位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cracking position of gas collecting tupe

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察及無損檢測

依據NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》的要求對開裂集氣管及其附近區域進行滲透檢測，結果表明集氣管管壁僅存在1條裂紋，位于近焊接接頭母材部位。觀察開裂集氣管的宏觀形貌，可見裂紋為環向開裂、無分叉，長約120 mm，如圖2所示。通過裂紋中部開口寬度最大，可判斷啟裂區位于裂紋中部。

圖2 集氣管裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of crack of gas collecting tupe

1.2 化學成分分析

對開裂集氣管母材的化學成分進行分析，結果如表1所示，可知集氣管化學成分符合ASEM SA-312/SA-312M：2010SpecificationforSeamlessandWeldedAusteniticStainlessSteelPipes對TP347H鋼的要求。

1.3 金相檢驗

在集氣管開裂部位截取金相試樣，試樣垂直于焊縫，觀察面包括母材、熱影響區和焊縫。試樣經打磨、拋光后采用王水溶液浸蝕，然后對試樣進行觀察，如圖3所示?？梢娂瘹夤芎缚p的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體，組織正常；熱影響區的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體+析出相，析出相呈顆粒狀，沿奧氏體晶界分布；母材的顯微組織為奧氏體+析出相，析出相呈顆粒狀分布在奧氏體晶界處，組織存在敏化現象。

表1 開裂集氣管化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Chemical composition analysis results of cracked gas collecting tube (mass fraction) %

圖3 開裂集氣管不同位置的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of cracked gas collecting tube at different positions: a) weld line; b) heat affected zone; c) base material

采用掃描電鏡對集氣管母材的顯微組織進行觀察，如圖4所示?？梢娋Ы缬写罅课龀鑫?，且晶界發生寬化，有明顯的敏化特征。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對析出相及其附近區域進行成分分析，結果表明鉻元素在析出相中含量為21.7%(質量分數，下同)，在晶界中含量為17.8%；碳元素在析出相中含量為8.4%，在晶界中含量為3.3%，即析出相富鉻，晶界貧鉻，判斷析出相應為Cr23C6型金屬間化合物，該化合物只有管壁溫度高于538 ℃時才能析出，析出相的存在使材料的強度和韌性下降[1-2]。

圖4 集氣管母材的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of base material of gas collecting tube:a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 硬度測試

對金相試樣進行硬度測試，可以發現裂紋附近硬度較高，為386.3 HV0.2，而遠離裂紋的母材硬度為248.6 HV0.2。

1.5 斷口分析

將試樣沿裂紋剖開，采用掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察，如圖5所示。裂紋的啟裂區和擴展區形貌相似，均呈冰糖狀，為沿晶開裂特征，晶粒表面附著大量氧化物，且氧化物較為致密；裂紋尖端亦呈沿晶開裂特征，與母材和熱影響區的顯微組織相吻合，晶界存在敏化的材料易發生晶間開裂。

圖5 開裂集氣管斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of cracked gas collecting tube:a) crack growth zone; b) crack tip

1.6 應力分析

采用有限元分析軟件(Ansys)計算集氣管開裂部位超溫(3.0 MPa,675 ℃)運行時的應力，節點分布如圖6所示，2 510節點接近于開裂部位。計算結果表明，2 510節點在該條件下所受應力為89.1 MPa，經查閱相關資料，TP347H鋼管在該溫度下的許用應力僅為41.4 MPa，管壁所受應力遠高于其許用應力，因此管壁在此工況下運行時易發生失穩開裂。

圖6 集氣管節點分布圖Fig.6 Node distribution diagram of gas collecting tube

2 分析與討論

由化學成分分析結果可知，集氣管的化學成分符合標準的要求。根據金相檢驗的結果可知焊縫組織正常，但熱影響區和母材的顯微組織存在敏化現象，且析出相呈顆粒狀，沿奧氏體晶界分布。TP347H鋼屬于耐熱奧氏體不銹鋼，正常情況下其顯微組織應為奧氏體，晶界光滑，但該集氣管在運行過程中存在超溫運行的情況，最高溫度達到了675 ℃，剛好處于不銹鋼敏化溫度(538～816 ℃)區間，故該管壁組織中奧氏體晶界析出了硬而脆的金屬間化合物。在正常運行條件下，TP347H鋼滿足要求，一旦超溫運行則存在管壁開裂的風險，為了更好地保障工廠運行的安全、穩定，可將集氣管材料升級為Incoloy800H鎳基合金,該材料在高溫(650～1 000 ℃)下仍具有較高的強度[3]。

根據EDS分析結果表明，析出相富鉻，晶界貧鉻，這是由于碳向晶界擴散的速度比鉻快，Cr23C6沿晶界沉淀時，晶界及其鄰近區域的鉻便會被大量消耗而來不及得到補充，從而使晶間出現貧鉻現象[1,4-5]。有研究表明，奧氏體不銹鋼在敏化狀態下的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功等力學性能指標均下降，受到彎曲時就會產生沿晶裂紋[2,6]。

應力計算結果表明，超溫運行時，集氣管開裂處所受應力值為其許用應力的2倍多，而開裂處位于近焊縫母材部位，該位置在生產過程中受焊接的影響，其應力較其他位置的高，在應力疊加作用下，集氣管優先在該處開裂，硬度測試結果也能間接證明這一點。因集氣管母材敏化，晶界存在顆粒狀或長條狀的硬質沉淀相，沉淀相的硬度與母材基體的相差較大，且存在突起，析出相邊緣易產生應力集中，萌生微裂紋，微裂紋在力的作用下不斷擴展、連接[7-9]，形成裂紋，導致管壁沿晶開裂，這與裂紋擴展區的形貌特征一致。

3 結論與建議

集氣管超溫運行使富鉻碳化物在晶界處析出，管壁組織敏化，強度下降，且管壁所受應力遠高于其許用應力，導致管壁優先在應力集中區域開裂，并表現為沿晶開裂。建議通過以下兩個方面進行改進。

(1) 優化工藝，增設應急預案，避免因原料斷供而引起設備超溫運行。

(2) 材料升級，在正常運行條件下，TP347H鋼滿足要求，但是一旦原料斷供或其他原因引起了超溫運行，則存在管壁開裂的風險。