制氢装置集气管开裂原因

卢雪梅,黄超鹏,宋文明,李燕姣,贾雅妮,侍吉清

(1.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司,上海 201518；2.上海蓝滨石化设备有限责任公司,上海 201518)

某公司在制氢中采用德希尼布(Technip)转化炉生产氢气及合成气，转化炉的上集气管为进料系统，管内介质为水蒸气+天然气，在转化炉炉管内通过催化剂进行吸热反应，从而产生氢气等气体。上集气管材料为TP347H钢，设计工作温度为635 ℃，设计工作压力为4.3 MPa。

2018年11月，转化炉由于上游天燃气断供30 min左右，转化炉作为一个工艺吸热反应炉,无天燃气进入炉管内部,其烧嘴燃烧产生的烟道气热量无法被带走,导致集气管工作压力从4.0 MPa下降至3.0 MPa，工作温度急速上升至675 ℃。事故之后停车检查，发现上集气管异径连接管开裂，开裂位置如图1所示，为找到制氢装置集气管开裂的原因，笔者进行了理化检验与分析。

图1 集气管开裂位置示意图Fig.1 Schematic diagram of cracking position of gas collecting tupe

1 理化检验

1.1 宏观观察及无损检测

依据NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》的要求对开裂集气管及其附近区域进行渗透检测，结果表明集气管管壁仅存在1条裂纹，位于近焊接接头母材部位。观察开裂集气管的宏观形貌，可见裂纹为环向开裂、无分叉，长约120 mm，如图2所示。通过裂纹中部开口宽度最大，可判断启裂区位于裂纹中部。

图2 集气管裂纹宏观形貌Fig.2 Macro morphology of crack of gas collecting tupe

1.2 化学成分分析

对开裂集气管母材的化学成分进行分析，结果如表1所示，可知集气管化学成分符合ASEM SA-312/SA-312M：2010SpecificationforSeamlessandWeldedAusteniticStainlessSteelPipes对TP347H钢的要求。

1.3 金相检验

在集气管开裂部位截取金相试样，试样垂直于焊缝，观察面包括母材、热影响区和焊缝。试样经打磨、抛光后采用王水溶液浸蚀，然后对试样进行观察，如图3所示。可见集气管焊缝的显微组织为奥氏体+δ铁素体，组织正常；热影响区的显微组织为奥氏体+δ铁素体+析出相，析出相呈颗粒状，沿奥氏体晶界分布；母材的显微组织为奥氏体+析出相，析出相呈颗粒状分布在奥氏体晶界处，组织存在敏化现象。

表1 开裂集气管化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Chemical composition analysis results of cracked gas collecting tube (mass fraction) %

图3 开裂集气管不同位置的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of cracked gas collecting tube at different positions: a) weld line; b) heat affected zone; c) base material

采用扫描电镜对集气管母材的显微组织进行观察，如图4所示。可见晶界有大量析出物，且晶界发生宽化，有明显的敏化特征。采用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对析出相及其附近区域进行成分分析，结果表明铬元素在析出相中含量为21.7%(质量分数，下同)，在晶界中含量为17.8%；碳元素在析出相中含量为8.4%，在晶界中含量为3.3%，即析出相富铬，晶界贫铬，判断析出相应为Cr23C6型金属间化合物，该化合物只有管壁温度高于538 ℃时才能析出，析出相的存在使材料的强度和韧性下降[1-2]。

图4 集气管母材的微观形貌Fig.4 Micro morphology of base material of gas collecting tube:a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 硬度测试

对金相试样进行硬度测试，可以发现裂纹附近硬度较高，为386.3 HV0.2，而远离裂纹的母材硬度为248.6 HV0.2。

1.5 断口分析

将试样沿裂纹剖开，采用扫描电镜(SEM)对断口进行观察，如图5所示。裂纹的启裂区和扩展区形貌相似，均呈冰糖状，为沿晶开裂特征，晶粒表面附着大量氧化物，且氧化物较为致密；裂纹尖端亦呈沿晶开裂特征，与母材和热影响区的显微组织相吻合，晶界存在敏化的材料易发生晶间开裂。

图5 开裂集气管断口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of cracked gas collecting tube:a) crack growth zone; b) crack tip

1.6 应力分析

采用有限元分析软件(Ansys)计算集气管开裂部位超温(3.0 MPa,675 ℃)运行时的应力，节点分布如图6所示，2 510节点接近于开裂部位。计算结果表明，2 510节点在该条件下所受应力为89.1 MPa，经查阅相关资料，TP347H钢管在该温度下的许用应力仅为41.4 MPa，管壁所受应力远高于其许用应力，因此管壁在此工况下运行时易发生失稳开裂。

图6 集气管节点分布图Fig.6 Node distribution diagram of gas collecting tube

2 分析与讨论

由化学成分分析结果可知，集气管的化学成分符合标准的要求。根据金相检验的结果可知焊缝组织正常，但热影响区和母材的显微组织存在敏化现象，且析出相呈颗粒状，沿奥氏体晶界分布。TP347H钢属于耐热奥氏体不锈钢，正常情况下其显微组织应为奥氏体，晶界光滑，但该集气管在运行过程中存在超温运行的情况，最高温度达到了675 ℃，刚好处于不锈钢敏化温度(538～816 ℃)区间，故该管壁组织中奥氏体晶界析出了硬而脆的金属间化合物。在正常运行条件下，TP347H钢满足要求，一旦超温运行则存在管壁开裂的风险，为了更好地保障工厂运行的安全、稳定，可将集气管材料升级为Incoloy800H镍基合金,该材料在高温(650～1 000 ℃)下仍具有较高的强度[3]。

根据EDS分析结果表明，析出相富铬，晶界贫铬，这是由于碳向晶界扩散的速度比铬快，Cr23C6沿晶界沉淀时，晶界及其邻近区域的铬便会被大量消耗而来不及得到补充，从而使晶间出现贫铬现象[1,4-5]。有研究表明，奥氏体不锈钢在敏化状态下的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功等力学性能指标均下降，受到弯曲时就会产生沿晶裂纹[2,6]。

应力计算结果表明，超温运行时，集气管开裂处所受应力值为其许用应力的2倍多，而开裂处位于近焊缝母材部位，该位置在生产过程中受焊接的影响，其应力较其他位置的高，在应力叠加作用下，集气管优先在该处开裂，硬度测试结果也能间接证明这一点。因集气管母材敏化，晶界存在颗粒状或长条状的硬质沉淀相，沉淀相的硬度与母材基体的相差较大，且存在突起，析出相边缘易产生应力集中，萌生微裂纹，微裂纹在力的作用下不断扩展、连接[7-9]，形成裂纹，导致管壁沿晶开裂，这与裂纹扩展区的形貌特征一致。

3 结论与建议

集气管超温运行使富铬碳化物在晶界处析出，管壁组织敏化，强度下降，且管壁所受应力远高于其许用应力，导致管壁优先在应力集中区域开裂，并表现为沿晶开裂。建议通过以下两个方面进行改进。

(1) 优化工艺，增设应急预案，避免因原料断供而引起设备超温运行。

(2) 材料升级，在正常运行条件下，TP347H钢满足要求，但是一旦原料断供或其他原因引起了超温运行，则存在管壁开裂的风险。