制氢转化炉TP321H猪尾管开裂原因分析

张维顺 刘德宇 姜海一 石 凯

(1.中国石油乌鲁木齐石油化工总厂；2.中国特种设备检测研究院)

转化炉是制氢装置的关键设备，转化炉猪尾管的失效引起了国内外学者的广泛研究[1～5]。国内沿海某制氢装置转化炉于2010年6月投入使用，正常使用温度820℃、压力3.05MPa。2011年9月转化炉炉管局部干烧温度达到1 200℃以上，造成5根炉管爆管。转化炉运行三年后停用一年有余，运行期间制氢装置反复启停18次。2014年4月重新启用充氮升压时，发现转化炉上猪尾管出现开裂泄漏，存在穿透性裂纹，影响了整个生产线的运行。由于转化炉的上猪尾管数量甚多，查清管子开裂原因对制氢转化炉的安全运行至关重要，具有显著的经济效益。

1 宏观检查和表面探伤

上猪尾管主要用来吸收制氢转化炉管受热后的向上膨胀量，其材料为TP321H，操作温度为520℃，主要介质为H2、CO、CO2和烃。对转化炉所有猪尾管拆开保温进行表面探伤，发现泄漏部位位于转化炉管上法兰盖上焊口近炉管侧，为环向裂纹，如图1所示。部分猪尾管存在外表面裂纹，但并未沿壁厚方向贯穿，因此可以初步判断裂纹起裂于外表面。随后，对裂纹未贯穿猪尾管进行取样宏观检查，发现外壁和内壁均较平滑，没有明显的腐蚀痕迹，如图2所示。

图1 泄漏部位

图2 失效猪尾管的宏观形貌

2 金相组织观察

从裂纹部位取样进行裂纹金相组织观察，结果如图3所示，可以看出，奥氏体晶界有碳化物析出相存在，裂纹以沿晶形式扩展，且在裂纹周围有较多的析出相。

图3 裂纹金相组织

3 EDS能谱分析

为了确定开裂原因，对裂纹处晶界附件与晶

界进行能谱分析，分析位置如图4所示，分析结果见表1。可以看出，断口表面除了含有主要合金元素外，还含有元素O和Cl ，且晶界附近的Cr元素含量比晶界处要低。

图4 裂纹处能谱分析位置

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4 猪尾管开裂原因分析

4.1材料因素

TP321H为奥氏体不锈钢，C含量较高，在奥氏体中处于过饱和状态，当使用温度超过425℃并在425～815℃范围内停留一段时间时，过饱和的C就会向奥氏体晶粒边界扩散，并和Cr元素化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如(Cr,Fe)23C6等，同时造成晶粒内部贫铬，即敏化[6]。失效猪尾管操作温度为520℃，处于敏化温度范围区间。此外，超温运行和频繁开停车也会对猪尾管材料造成一定的损伤。能谱分析结果中晶界附近Cr含量低于晶界处也表明了猪尾管材料在使用过程中出现了一定的敏化。

4.2应力分析

制氢转化炉的管系集气管、转化管和猪尾管需靠众多的弹簧吊架来维持一个平衡的受力体系，然而这一体系在冷态和热态下是不同的。该制氢装置自2010年投产以后，开停车次数高达18次，较为频繁，且弹簧吊架多年未进行过调校，部分弹簧吊架已经失效或趋于失效，导致个别弹簧吊架失去作用，打破了整个平衡体系，当重新达到一个平衡点后势必会造成局部受力点的应力集中。此外，猪尾管在制造安装时，也不可避免地存在加工残余应力。

4.3腐蚀环境

由于该加氢装置位于国内沿海区域，空气和雨水中均含有较多的Cl元素。制氢转化炉开裂前已停用一年，猪尾管断口能谱分析中发现的Cl元素也主要来源于空气和雨水。Cl元素是导致奥氏体不锈钢产生应力腐蚀的重要条件之一[7，8]。氯化物应力腐蚀的裂纹扩展特征通常是穿晶的，但是在材料敏化状态下，则有可能出现穿晶与沿晶混合或纯沿晶特征[9]。而关于敏化态奥氏体不锈钢发生应力腐蚀的临界Cl离子浓度，目前暂未有统一说法。Herbsleb G认为敏化态奥氏体不锈钢在有无氯离子的常压水溶液中都对沿晶应力腐蚀敏感[10]，方智等认为敏化态奥氏体不锈钢在中性溶液中发生应力腐蚀的临界Cl离子浓度为0.4mol/L[11]。

5 结束语

此次开裂失效猪尾管裂纹开裂机理为典型的敏化态奥氏体不锈钢氯化物应力腐蚀开裂，在拉应力和腐蚀介质联合作用下，敏化态TP321H材料晶界沉淀相优先发生溶解，形成微裂纹，随着时间的推移，裂纹逐渐扩展，最终导致猪尾管开裂泄漏。为了保证制氢转化炉的安全运行，应尽量避免超温、超压和频繁开停车所造成的温度与压力剧烈波动。

[1] 许万剑, 丁毅, 师红旗, 等. 猪尾管开裂失效分析[J]. 材料热处理技术, 2011, 40(16): 194～195.

[2] 朱敏, 刘婷婷, 宋文明, 等. 转化炉Incoloy800猪尾管爆裂失效分析[J]. 铸造技术, 2013, 34(8): 1008～1011.

[3] 李振勇, 晁志刚, 李开胜. 一段炉猪尾管开裂原因分析及对策[J]. 化肥设计, 2002, 40(6): 44～45.

[4] 杨瑞增, 周留霞. 一段转化炉猪尾管开裂的原因分析及解决措施[J]. 大氮肥, 2002, 25(1): 32～34.

[5] 巩建鸣, 涂善东, 徐平,等. 制氢转化炉下猪尾管开裂原因分析[J]. 石油化工腐蚀与防护, 1996, 13(3): 26～28.

[6] 迟斌, 温刚全. 蒸汽转化炉下猪尾管大面积开裂破坏分析及对策[J]. 石油与天然气化工, 2004, 33(6): 463～466.

[7] 张振杰. 奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂探讨[J]. 石油化工腐蚀与防护, 2006, 23(2) : 48～50.

[8] 曹福想, 张启礼. 奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹失效分析及对策[J]. 南方金属, 2008, (3): 9～11.

[9] 朱晓东, 艾志斌, 李蓉蓉. 1Cr18Ni9Ti不锈钢封头失效分析[J]. 压力容器, 2004, 21(6): 38～42.

[10] Herbsleb G. The Stress Corrosion Cracking of Sensitized Austenitic Stainless Steels and Nickel- Base Alloys[J]. Corrosion Science, 1980, 20(2): 243.

[11] 方智, 吴荫顺, 朱日彰. 敏化态304不锈钢在室温下发生应力腐蚀的Cl-浓度界限[J]. 腐蚀科学与防护技术, 1994, 6(4): 305～309.