制氫裝置循環(huán)氫管道出口短管開裂失效分析

王耀偉，欒謹(jǐn)鑫，劉炳巖，賀永鵬，舒向泉，王立達(dá)

制氫裝置循環(huán)氫管道出口短管開裂失效分析

王耀偉1，欒謹(jǐn)鑫2，劉炳巖2，賀永鵬1，舒向泉1，王立達(dá)2

（1. 山東京博石油化工有限公司，山東 濱州 256500； 2. 大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 大連 116024）

制氫裝置循環(huán)氫管道出口短管發(fā)生開裂失效。通過對材料的成分、硬度、缺陷、產(chǎn)物以及受力分析，考察了其失效成因。結(jié)果表明：由于短管材質(zhì)中存在缺陷，導(dǎo)致短節(jié)強(qiáng)度下降。同時，出口管路結(jié)構(gòu)易引發(fā)彎頭與短節(jié)連接處局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致管件應(yīng)力開裂。針對其失效原因，提出了相應(yīng)防護(hù)對策。

制氫裝置；短管；應(yīng)力開裂；失效分析

制氫裝置循環(huán)氫管道出口短管彎頭下部連接有兩個較大質(zhì)量的閥門，同時為保持該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，水平管路僅加設(shè)一根鋼絲用于固定管件。短節(jié)材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)部介質(zhì)主要為循環(huán)氫，其中含有烴類（體積分?jǐn)?shù)6.75%）和少量的硫化氫（體積分?jǐn)?shù)0.35%）。該短節(jié)在運行過程中出現(xiàn)開裂，造成介質(zhì)泄漏。開裂處位于彎頭與短節(jié)之間的連接部位且貼近焊肉處，斷口較整齊，失效管件樣品，如圖1所示。

圖1 循環(huán)氫管道出口處管件開裂宏觀照片

1 材質(zhì)成分分析

通過便攜光譜儀對開裂管件材質(zhì)進(jìn)行成分分 析[1]，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，該管件材質(zhì)主要含有Fe、Mn等元素，對照碳鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)《石油裂化用無縫鋼管》（GB 9948—2006），其含量符合材質(zhì)要求。

表1 管材成分組成

2 材質(zhì)硬度分析

采用顯微硬度計（HV-1000B）對開裂管件材質(zhì)硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，開裂管件平均維氏硬度為141.0。根據(jù)《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》（GB/T 1172—1999），換算為布氏硬度為128.5，其小于碳鋼的布氏硬度標(biāo)準(zhǔn) HB≤156，表明失效管件材質(zhì)硬度符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求（《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 699—2015）。

表2 開裂管硬度檢測結(jié)果

3 顯微形貌分析

對失效件進(jìn)行取樣、打磨、拋光，并利用金相顯微鏡（BX53M, Olympus）對樣品的表面及缺陷顯微特征進(jìn)行表征，以進(jìn)一步對管件開裂成因進(jìn)行分析。失效短節(jié)側(cè)斷口及其附近缺陷形貌如圖2所示。從圖2中可以看出，短節(jié)側(cè)斷口區(qū)集中分布著較大的點狀缺陷，且在焊接熱影響區(qū)，管件區(qū)缺陷傾向集中，在一定程度上導(dǎo)致管件抗拉強(qiáng)度降低[2-3]。

圖2 短節(jié)側(cè)斷口及其附近缺陷形貌

4 產(chǎn)物成分分析

通過X射線熒光光譜儀（XRF-180003040404，日本島津）對彎頭內(nèi)部產(chǎn)物進(jìn)行分析，彎頭內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物成分如圖3所示。產(chǎn)物主要以硫化亞鐵和鐵的氧化物為主，同時還含有少量其他雜質(zhì)元素。由于出口短管內(nèi)部介質(zhì)溫度為50 ℃，且管內(nèi)介質(zhì)未檢測到水，因此，該管件內(nèi)部不存在濕硫化氫腐蝕風(fēng)險，大量硫化亞鐵的積聚，主要源自高溫硫腐蝕生成的硫鐵化合物，由氫氣吹掃到出口短管并附著在內(nèi)壁上。

圖3 彎頭內(nèi)部產(chǎn)物成分

5 靜力學(xué)分析

圖4給出了開裂管件的受力分析圖。管件在服役過程中，由于循環(huán)氫管道出口短管彎頭下部連接有兩個質(zhì)量較大的閥門，閥門的重力以及指向主管道的拉力，使得彎頭及短節(jié)處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中[4]。又因彎頭及焊肉區(qū)的壁厚遠(yuǎn)高于短節(jié)壁厚，使得彎頭形變小于短節(jié)，因此在彎頭短節(jié)連接處進(jìn)一步發(fā)生應(yīng)力集中，尤其是在該處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力及形變，最終該管件于彎頭短節(jié)連接處沿紅色箭頭方向斷裂。

圖4 出口短管受力分析

6 結(jié) 論

循環(huán)氫管道出口短管材料中存在點狀缺陷，導(dǎo)致管件強(qiáng)度下降。同時，出口管路結(jié)構(gòu)易引發(fā)彎頭與短節(jié)連接處局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致管件應(yīng)力開裂。基于以上結(jié)論，給出如下建議：

1）選材方面，對管件質(zhì)量進(jìn)行檢驗，確保材質(zhì)符合質(zhì)量要求。

2）焊接方面，保證焊接質(zhì)量，避免或減少焊接后管件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。

3）結(jié)構(gòu)方面，對該管路進(jìn)行有效固定，避免彎頭與短節(jié)的連接處承載高載荷應(yīng)力。

［1］高金偉. 光電光譜對碳素鋼中元素含量的分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2014.

［2］劉雨蒙.焊縫幾何尺寸及熱影響區(qū)軟化程度對管線鋼管承壓能力影響的研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

［3］朱亮，陳劍虹.熱影響區(qū)軟化焊接接頭應(yīng)力分布特征及強(qiáng)度預(yù)測[J].焊接學(xué)報，2004（3）：48-51．

［4］李曉亮.化工裝置中安全閥工藝設(shè)計及附屬管道應(yīng)力分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

Analysis on Crack Failure of Short Pipe at the Outlet of Circulating Hydrogen Pipeline in the Hydrogen Production Unit

1,2,2,1,1,2

（1. Shandong Chambroad Petrochemical Co., Ltd., Binzhou Shandong 256500, China;2. School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China）

The short pipe at the outlet of circulating hydrogen pipeline in the hydrogen production unit cracked. By analyzing the composition, hardness, defect, product and stress of the material, the cause of failure was investigated. The results showed that the strength of the short pipe decreased because of the defects in the material of the short pipe. At the same time, the outlet pipeline structure was easy to cause local stress concentration at the joint of elbow and nipple, which eventually led to stress cracking of pipe fittings. In view of the failure reasons, the corresponding protective measures were put forward.

Hydrogen production unit; Short pipe; Stress cracking; Failure analysis

2020-11-03

王耀偉（1979-），男，江蘇省淮安市人，工程師，研究方向：石油化工技術(shù)。

王立達(dá)（1979-），男，副教授，博士，研究方向：石油化工腐蝕與防護(hù)。

TQ031.4

A

1004-0935（2021）04-0546-03