制氫裝置中變氣管道異徑管開裂原因分析

龔建華，周 彬

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦經(jīng)濟開發(fā)區(qū) 578101)

制氫裝置中變氣管道異徑管開裂原因分析

龔建華，周 彬

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦經(jīng)濟開發(fā)區(qū) 578101)

文章通過對制氫裝置中變氣管道使用的操作條件、工藝介質(zhì)進行分析;對異徑管道裂紋進行宏觀觀察、滲透檢測;對管道母材進行了硬度測試、金相觀察、化學(xué)成分分析;對裂紋斷口進行宏觀、微觀檢查。發(fā)現(xiàn)管道上裂紋由內(nèi)壁起源，呈弧形向外壁擴展，斷口平齊未見明顯的塑性變形和腐蝕結(jié)垢特征，且裂紋幾乎穿透整個壁厚;管道小頭端母材中有大量的滑移線，顯微組織為奧氏體加形變誘導(dǎo)馬氏體組織，具有典型的冷作硬化特征，還有少量孿晶;管道母材硬度值不符合奧氏體不銹鋼硬度值不大于190 HB的規(guī)定，且管道大頭、小頭端外壁硬度差別較大。由此得出異徑管道成型后未進行最終固溶處理是導(dǎo)致開裂的最根本原因，并對此類不銹鋼管件在使用中如何防止開裂提出了相應(yīng)的防護措施。

中變氣 固溶處理 敏化 應(yīng)力腐蝕 開裂

制氫裝置是采用烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化法和變壓吸附提純制氫的工藝。主要由原料加氫脫硫、水蒸汽轉(zhuǎn)化、中溫變換、變壓吸附(PSA)氫氣提純及余熱回收系統(tǒng)5部分組成。產(chǎn)品為工業(yè)氫氣，產(chǎn)量為60 dam3/h，主要提供給全廠2.0 MPa氫氣管網(wǎng)。2009年12月裝置停工檢修時，發(fā)現(xiàn)中變氣管道進空冷器前分支管道上的偏心異徑管道小頭端(DN150管口側(cè))的母材上發(fā)現(xiàn)裂紋并出現(xiàn)介質(zhì)泄漏，2008年12月裝置停工小修時，對裂紋部位進行了補焊處理，2009年底大撿修時對該異徑管道進行了更換，并對開裂的異徑管道進行取樣分析。

1 裝置相關(guān)流程和工藝條件

天然氣與催化原料預(yù)處理單元來的變壓吸附尾氣混合經(jīng)過加氫脫硫，然后與工藝蒸汽混合，在一定溫度和催化劑的作用下反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化氣，再進入中溫變換反應(yīng)器，降低轉(zhuǎn)化氣中CO的含量，生成中變氣，最后中變氣進入PSA部分進行氫氣提純。

中變氣管道設(shè)計壓力為2.54 MPa，工作壓力為2.40 MPa;設(shè)計溫度158℃，工作溫度138℃;CO，CO2、水蒸汽和 H2的體積分?jǐn)?shù)分別為1%，15%，24%和60%，有少量的H2S。偏心異徑管道的材質(zhì)為0Cr18Ni9，小頭端壁厚實測值為8.2 mm，大頭端壁厚實測值為9.5～10.8 mm。

2 異徑管道分析與檢測

2.1 管道開裂情況

異徑管道的開裂情況見圖1和圖2。

圖1 異徑管道實物Fig.1 The real photo of different-diameter pipe

2.2 滲透檢測

對開裂異徑管道小頭端內(nèi)壁進行滲透檢測，裂紋情況見圖3，由圖3可見在異徑管道小頭端直邊端距焊縫約8 mm上有垂直于焊縫的7條裂紋(箭頭A標(biāo)識處)，裂紋間距約5～8 mm，長約5～15 mm不等;在直邊與變徑段有平行于焊縫的裂紋(箭頭B標(biāo)識處)，長約25 mm。

圖2 異徑管道裂紋Fig.2 The crackle photo of differentdiameter pipe

2.3 化學(xué)成分分析

對異徑管道取樣進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。異徑管道母材的化學(xué)成分基本滿足GB/T14976-2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》對0Cr18Ni9的要求，但是C元素含量已經(jīng)達到允許偏差的最高限，P元素含量已經(jīng)接近允許偏差的最高限。

圖3 異徑管道小頭端內(nèi)壁裂紋Fig.3 The crack of the inner wall in head end of different-diameter pipe

表1 異徑管道取樣化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 The result of chemical position analysis is in the different-diameter pipe w，%

2.4 硬度測試

2.4.1 異徑管道外壁

采用HLI-P(S2000-3)硬度計對異徑管道外壁不同部位進行布氏硬度測試，測量結(jié)果見圖4。

圖4 異徑管道展開后的硬度分布（HB)Fig.4 The hardness distribution map of the different-diameter pipe

由圖4可看出異徑管道外壁硬度值為203～327HB，變徑部位和小頭端硬度偏高，最高硬度出現(xiàn)在小頭端的G1部位，硬度值為327HB，異徑管道硬度值均不符合SH3408-96《鋼制對焊無縫鋼管》中奧氏體不銹鋼布氏硬度值不大于190HB的規(guī)定。

2.4.2 異徑管道橫截面

對異徑管道大頭端和小頭端分別取樣進行橫截面維氏硬度測試，測試結(jié)果表明:小頭端硬度值為281HV10，大頭端硬度值為228HV10，小頭端硬度明顯高于大頭端硬度，與偏心異徑管外壁硬度測試規(guī)律一致。

2.5 異徑管道金相觀察

異徑管道金相分析取樣部位見圖5。

異徑管道大頭端截面(JX1)母材顯微組織照片，見圖6。由圖6可見，異徑管道大頭端母材顯微組織為奧氏體組織、碳化物加少量孿晶，奧氏體晶粒大小不均勻。

異徑管道小頭端截面(JX4)母材顯微組織照片，見圖7。由圖7可看出，異徑管道小頭端組織為奧氏體，晶界已經(jīng)不大容易辨認(rèn)，有大量滑移線。

圖5 異徑管道金相分析取樣位置Fig.5 Metallographic sampling position of the different-diameter pipe

圖6 大頭端截面母材金相顯微組織250×Fig.6 Parent material microstructure in big end section

圖7 小頭端截面母材金相顯微組織250×Fig.7 Parent material microstructure in small end section

異徑管道小頭端橫截面(JX2)和母材橫截面裂紋特征顯微照片，見圖8和圖9。由圖8和圖9可見小頭端母材中有大量的滑移線，顯微組織為奧氏體加形變誘導(dǎo)馬氏體組織，具有典型的冷作硬化特征，還有少量孿晶。橫截面裂紋由內(nèi)表面向外表面擴展，長約4 mm，裂紋尖端為平滑鈍化，裂紋尖端有空洞，主裂紋旁小裂紋局部具有沿晶界擴展特征。

圖8 小頭端截面裂紋金相顯微組織250×Fig.8 Crack microstructure of cross section in small end section

圖9 小頭端母材橫截面裂紋形態(tài)250×Fig.9 Crack morphology of cross section in small end section

異徑管道小頭端內(nèi)表面(JX3)母材裂紋特征顯微照片，見圖10。由圖10可見，小頭端母材中有大量的滑移線，顯微組織為奧氏體加少量孿晶。內(nèi)表面裂紋長約8 mm，主裂紋穿晶擴展，主裂紋旁小裂紋局部具有沿晶界擴展特征［1］。

圖10 小頭端母材內(nèi)表面裂紋形態(tài)250×Fig.10 Crack morphology of inner surface in small end section

2.6 異徑管道裂紋斷口形貌觀察

異徑管道小頭端(圖3所示A裂紋處)裂紋斷口人為打開后的宏觀形貌，見圖11。由圖11可知，裂紋由內(nèi)壁起源，呈弧形向外壁擴展，斷口平齊，未見明顯的塑性變形和腐蝕結(jié)垢物覆蓋，斷口裂紋源部位呈藍黑色，擴展區(qū)呈現(xiàn)黃褐色，人為打開部位呈現(xiàn)金屬灰色，且裂紋幾近透穿整個壁厚。

圖11 小頭端母材裂紋宏觀形貌20×Fig.11 Macro morphology of small end section

異徑管道小頭端斷口靠近內(nèi)壁部位微觀形貌見圖12。裂紋源部位(圖12中方框內(nèi)標(biāo)識區(qū)域)微觀形貌見圖13。由圖13可觀察到由裂紋源向外壁擴展的放射狀條紋，在裂紋源部位可觀察到沿晶界擴展的形態(tài)，斷口齊平。

圖12 小頭端母材裂紋微觀形貌100×Fig.12 Microscopic morphology of small end section

異徑管道小頭端裂紋斷口擴展區(qū)微觀形貌見圖14。由圖14a可見，裂紋擴展區(qū)與人為打開區(qū)分界顯著，裂紋擴展區(qū)為沿晶形貌，局部有二次裂紋，人為打開區(qū)為韌窩形貌。

由圖14b可見裂紋擴展區(qū)可清晰觀察到奧氏體晶粒，晶粒上有滑移線痕跡［2］。

圖13 裂紋源部位微觀形貌1000×Fig.13 The microscopic morphology of source location of the crack

圖14 小頭端斷口擴展區(qū)微觀形貌1000×Fig.14 The microscopic morphology of fracture extension zone in the head end

3 異徑管道開裂原因分析

由理化檢驗發(fā)現(xiàn)奧氏體晶粒內(nèi)有形變誘導(dǎo)馬氏體組織，具有典型的冷作硬化特征，為非正常的奧氏體不銹鋼金相顯微組織，而且異徑管道外壁硬度差別較大，大頭端硬度203HB，而小頭端硬度高達327HB。顯然，異徑管道成型后未進行最終固溶處理，是導(dǎo)致開裂的最根本原因。

固溶狀態(tài)下的奧氏體不銹鋼對硫化物應(yīng)力腐蝕均不敏感，但是在加工硬化條件下，特別是有變形誘導(dǎo)馬氏體組織出現(xiàn)時，對硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性均顯著上升。由于在小頭端內(nèi)壁檢測到的7條裂紋沿著軸向大致平行分布，與環(huán)向應(yīng)力大有關(guān)，同時裂紋微觀特征與氫致開裂相符。管道內(nèi)介質(zhì)工作溫度為138℃，當(dāng)開停車或者操作不平穩(wěn)時，開裂部位有可能出現(xiàn)液相水，且介質(zhì)中含有一定量的H2S，因此發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的可能性較大［3］。

4討論

國內(nèi)普遍采用偏心模具逐級熱壓工藝來制造偏心異徑管道，在小頭端成形過程中，需要將管件加熱到一定溫度后經(jīng)過多次擠壓達到要求的規(guī)格。在擠壓過程中，多個滑移系相互作用，將滑移帶分割成亞晶，變形量大的小頭端容易形成大量的滑移線，同時大量的變形使得管件硬度和強度大幅度提高，但相應(yīng)的其塑性必然大大降低。因此，為了使得整個偏心異徑管產(chǎn)品顯微組織為均一的奧氏體組織，并且消除熱加工變形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，異徑管還需1 010℃以上溫度固溶處理［4］。

5 結(jié)論

制氫裝置中變氣管道異徑管道發(fā)生開裂最根本的原因是由于異徑管道成型后未進行最終固溶處理，小頭端內(nèi)壁發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕引起開裂所致。

［1］張德康.不銹鋼局部腐蝕［M］.北京:科學(xué)出版社，1982:11-326.

［2］王金富.制氫裝置管道材料的選用［J］.石油化工腐蝕與防護，2004，21(3):19-22.

［3］李慶梅，王偉，王帝，等.制氫裝置中變水冷系統(tǒng)不銹鋼失效分析［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2011，32(2):48-50.

［4］中國腐蝕與防護學(xué)會編.金屬腐蝕手冊［M］.上海:上?？萍汲霭嫔?，1987:234-451.

Cause Analysis of Cracking of Reduced Pipes for Shift Gas in Hydrogen Generation Plant

Gong Jianhua，Zhou Bin
(SINOPEC Hainan Refining ＆ Chemical Co.，Ltd.，Yangpu，Hainan 578101)

The analysis of the operating conditions of shift gas pipe and process medium in hydrogen generation plant，the macroscopic observation，penetration testing for cracks on reduced pipe，the hardness testing，metallographic observation，analysis of chemical compositions for base material of pipe and macroscopic and microscopic examinations have found out that:the cracks on the pipes originated from internal wall and propagated to the external wall in curve form.The fracture is flush and there is no apparent plastic deformation and corrosion.The cracks almost penetrate the entire thickness of pipes.The base material of reduced end of pipe has a large number of slip line with typical cold－work characteristics，whose microstructure is Austenitic plus Martensitic structure.The hardness of base material does not meet the specification requirement of hardness of austenitic stainless steel which is no greater than 190 HB.There is a great difference between hardness of larger pipe end and smaller pipe end.The analysis concludes that no final solid－solution treatment after forming is the basic cause for cracking.The protective measures for preventing cracking of this type of stainless steel pipe in operation are proposed.

shift gas，solid －solution treatment，stress corrosion，cracking

TE988.2

A

1007－015X(2012)02－0056－05

2011－12－ 18;修改稿收到日期:2012－01－10。

龔建華，高級工程師，1990年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)化工設(shè)備與機械專業(yè)?，F(xiàn)在中國石化海南煉油化工有限公司從事設(shè)備管理工作。E-mail:gongjh9119@126.com。

(編輯 寇岱清)