制氢装置循环氢管道出口短管开裂失效分析

王耀伟，栾谨鑫，刘炳岩，贺永鹏，舒向泉，王立达

制氢装置循环氢管道出口短管开裂失效分析

王耀伟1，栾谨鑫2，刘炳岩2，贺永鹏1，舒向泉1，王立达2

（1. 山东京博石油化工有限公司，山东 滨州 256500； 2. 大连理工大学 化工学院，辽宁 大连 116024）

制氢装置循环氢管道出口短管发生开裂失效。通过对材料的成分、硬度、缺陷、产物以及受力分析，考察了其失效成因。结果表明：由于短管材质中存在缺陷，导致短节强度下降。同时，出口管路结构易引发弯头与短节连接处局部应力集中，最终导致管件应力开裂。针对其失效原因，提出了相应防护对策。

制氢装置；短管；应力开裂；失效分析

制氢装置循环氢管道出口短管弯头下部连接有两个较大质量的阀门，同时为保持该结构稳定性，水平管路仅加设一根钢丝用于固定管件。短节材质为碳钢，内部介质主要为循环氢，其中含有烃类（体积分数6.75%）和少量的硫化氢（体积分数0.35%）。该短节在运行过程中出现开裂，造成介质泄漏。开裂处位于弯头与短节之间的连接部位且贴近焊肉处，断口较整齐，失效管件样品，如图1所示。

图1 循环氢管道出口处管件开裂宏观照片

1 材质成分分析

通过便携光谱仪对开裂管件材质进行成分分 析[1]，结果如表1所示。从表1中可以看出，该管件材质主要含有Fe、Mn等元素，对照碳钢的国家标准《石油裂化用无缝钢管》（GB 9948—2006），其含量符合材质要求。

表1 管材成分组成

2 材质硬度分析

采用显微硬度计（HV-1000B）对开裂管件材质硬度进行检测，结果如表2所示。从表2中可以看出，开裂管件平均维氏硬度为141.0。根据《黑色金属硬度及强度换算值》（GB/T 1172—1999），换算为布氏硬度为128.5，其小于碳钢的布氏硬度标准 HB≤156，表明失效管件材质硬度符合国家标准要求（《优质碳素结构钢》GB/T 699—2015）。

表2 开裂管硬度检测结果

3 显微形貌分析

对失效件进行取样、打磨、抛光，并利用金相显微镜（BX53M, Olympus）对样品的表面及缺陷显微特征进行表征，以进一步对管件开裂成因进行分析。失效短节侧断口及其附近缺陷形貌如图2所示。从图2中可以看出，短节侧断口区集中分布着较大的点状缺陷，且在焊接热影响区，管件区缺陷倾向集中，在一定程度上导致管件抗拉强度降低[2-3]。

图2 短节侧断口及其附近缺陷形貌

4 产物成分分析

通过X射线荧光光谱仪（XRF-180003040404，日本岛津）对弯头内部产物进行分析，弯头内部腐蚀产物成分如图3所示。产物主要以硫化亚铁和铁的氧化物为主，同时还含有少量其他杂质元素。由于出口短管内部介质温度为50 ℃，且管内介质未检测到水，因此，该管件内部不存在湿硫化氢腐蚀风险，大量硫化亚铁的积聚，主要源自高温硫腐蚀生成的硫铁化合物，由氢气吹扫到出口短管并附着在内壁上。

图3 弯头内部产物成分

5 静力学分析

图4给出了开裂管件的受力分析图。管件在服役过程中，由于循环氢管道出口短管弯头下部连接有两个质量较大的阀门，阀门的重力以及指向主管道的拉力，使得弯头及短节处出现了较大的应力集中[4]。又因弯头及焊肉区的壁厚远高于短节壁厚，使得弯头形变小于短节，因此在弯头短节连接处进一步发生应力集中，尤其是在该处产生最大拉应力及形变，最终该管件于弯头短节连接处沿红色箭头方向断裂。

图4 出口短管受力分析

6 结 论

循环氢管道出口短管材料中存在点状缺陷，导致管件强度下降。同时，出口管路结构易引发弯头与短节连接处局部应力集中，最终导致管件应力开裂。基于以上结论，给出如下建议：

1）选材方面，对管件质量进行检验，确保材质符合质量要求。

2）焊接方面，保证焊接质量，避免或减少焊接后管件内部产生缺陷。

3）结构方面，对该管路进行有效固定，避免弯头与短节的连接处承载高载荷应力。

［1］高金伟. 光电光谱对碳素钢中元素含量的分析[D].大庆：东北石油大学，2014.

［2］刘雨蒙.焊缝几何尺寸及热影响区软化程度对管线钢管承压能力影响的研究[D]. 秦皇岛：燕山大学，2015.

［3］朱亮，陈剑虹.热影响区软化焊接接头应力分布特征及强度预测[J].焊接学报，2004（3）：48-51．

［4］李晓亮.化工装置中安全阀工艺设计及附属管道应力分析[D].大连：大连理工大学，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

王耀伟（1979-），男，江苏省淮安市人，工程师，研究方向：石油化工技术。

王立达（1979-），男，副教授，博士，研究方向：石油化工腐蚀与防护。

TQ031.4

A

1004-0935（2021）04-0546-03