煉油制氫裝置換熱器出口管線開裂原因分析

季偉勤

（上海石化設備檢驗檢測有限公司，200540）

煉油制氫裝置換熱器出口管線開裂原因分析

季偉勤

（上海石化設備檢驗檢測有限公司，200540）

E5103換熱器出口管線靠近閥門大小頭短節(jié)處焊縫產生泄漏，采用化學成分分析、金相檢查等方法對泄露原因進行了分析。發(fā)現(xiàn)該管道短節(jié)兩端焊縫均有裂紋存在，裂紋起始于管道內壁焊縫熔合線處，管道材料組織正常，管道內壁熔合區(qū)裂紋是由交變載荷引起的，通過疲勞擴展最終穿透外壁引起介質泄漏。

焊縫泄漏 疲勞擴展 失效分析

某石化企業(yè)制氫裝置E5103換熱器出口管線在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)靠近閥門側大小頭短節(jié)處的焊縫產生介質泄漏，隨即進行停運搶修，修復后正常投運。該管線長38 m，直徑325 mm，厚度10 mm，材質為0Cr18Ni10Ti，最高工作壓力為2.5 MPa，工作溫度為220℃左右，介質為中變氣，組分為：H2（73.68%），CH4（7.02%），CO（1.97%），CO2（17.33%），另還有一定的水蒸氣和少量的氯離子。管線使用已有10年，2008年10月曾進行壓力管道全面檢驗，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，安全狀況等級為2級。為分析該管線產生裂紋的具體原因，明確管線失效機理，以便采取針對性的防范措施，有必要對泄漏部位取樣，進行失效分析，防止類似事件的再次發(fā)生。

1 檢測和分析

1.1 管線材料化學成分分析

對管線材料母材和焊縫進行化學成分分析，結果表明現(xiàn)場所用材料化學成分符合0Cr18Ni10Ti基本要求。該管材為固溶化熱處理狀態(tài)供貨管材，該材料在使用溫度小于220℃，臨氫介質的條件下不會產生氫損傷。

1.2 管線取樣

圖1 開裂管線試樣

發(fā)生開裂管線取樣如圖1所示，發(fā)生開裂部位是在管線大小頭短節(jié)管段焊縫側，取管線大小頭短節(jié)管段焊縫側部分斷口及短節(jié)另一端焊縫作為本次分析的樣本。

1.3 取樣材料斷口宏觀形貌分析

發(fā)生開裂的部位在管線大小頭短節(jié)管段焊縫側，仔細觀察整個圓周斷口，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生處斷口仍保留原始斷口形貌（見圖2）。裂紋萌生處部位仍清晰可見，并明顯呈現(xiàn)出3個區(qū)域：（1）裂紋萌生區(qū)；（2）裂紋擴展區(qū)；（3）裂紋最終斷裂區(qū)。

整個斷口較為平坦，裂紋萌生處未發(fā)現(xiàn)有大量的腐蝕產物，開裂處內壁已被打磨，但從內壁大部分表面狀況分析，其表面較為光潔，未發(fā)現(xiàn)管內介質對管線內壁有腐蝕。因此從斷口整體形貌觀察可以確認，裂紋是從管線內壁開始逐漸擴展，最終導致開裂，造成介質泄漏，整個斷口宏觀形貌顯示為脆性斷口特征，斷口裂紋擴展溝線呈半橢圓形狀。

圖2 裂紋斷口宏觀形貌

1.4 管線材料金相組織及裂紋形貌

1.4.1 靠近裂紋斷口部位材料金相組織分析

裂紋斷口部位材料金相組織見圖3。從圖3中可以看出：管線母材組織為奧氏體，焊縫為樹枝狀分布的奧氏體，為固溶化熱處理后的正常金相組織［1］。焊縫及母材中未發(fā)現(xiàn)有明顯的缺陷存在，但在主裂紋旁仍存在由熔合線內壁萌生的裂紋擴展，該裂紋主要呈單枝裂紋，裂紋尖端較為鈍化，從中可以看出裂紋主要是從內壁焊縫熔合線萌生并開始擴展。

圖3 靠近裂紋斷口處金相組織放大100倍后的裂紋

1.4.2 管道短節(jié)另一端焊縫部位金相組織分析

圖4 管道短節(jié)另一端焊縫部位金相組織

對管道短節(jié)發(fā)生穿透部位的另一端焊縫也進行了金相檢查，具體見圖4。從圖4中可以看出：母材組織為奧氏體＋孿晶，焊縫組織為樹枝狀奧氏體［1］，沒有發(fā)現(xiàn)焊縫及母材中存在有明顯的缺陷，基本情況與產生破裂部位的組織狀況相同。雖然此處焊縫現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)破裂，但從照片中仍可觀察到已有裂紋存在，只是未穿透外壁。裂紋萌生處也沒有觀察到內壁有腐蝕情況存在，但該處焊縫與母材有幾何不連續(xù)形狀存在。

1.5 裂紋斷口微觀形貌分析

用掃描電鏡中觀察裂紋斷口的微觀形貌，圖5為裂紋萌生部位形貌照片，從中可以看出開裂部位在熔合區(qū)焊縫側內壁。斷口呈樹枝狀脆性斷裂特征，表明開裂始于焊縫，有二次裂紋存在，開裂區(qū)有細片狀“輝紋”條紋存在。

圖6為裂紋擴展區(qū)形貌照片，從中可以看出斷口存在大量的明暗相間的“輝紋”條紋特征，說明造成裂紋擴展的主要因素為載荷變化導致的疲勞裂紋擴展，呈較為典型的疲勞脆性斷口特征。裂紋最終斷裂區(qū)形貌呈撕裂嶺狀準解理斷口特征，說明是快速撕裂導致局部穿透外壁引起管內介質泄漏。

圖6 裂紋擴展區(qū)形貌

2 管線斷裂失效機理

根據(jù)以往的大多數(shù)制氫裝置中不銹鋼管道失效案例來看，有硫化氫、二氧化碳、一定量的水蒸氣和少量氯離子存在的環(huán)境容易形成酸性水溶液，從而引起不銹鋼產生應力腐蝕裂紋擴展。但本次管道斷裂顯然與應力腐蝕失效機理不同。一般而言，引起應力腐蝕裂紋失效的影響因素主要有材料、應力和環(huán)境因素，雖然管道內部介質情況、應力情況以及材料都具備上述3種因素，但從裂紋在材料金相中的形貌可以看出，裂紋呈單枝狀，且裂紋尖端較為鈍化，另外在斷口微觀形貌中可以明顯觀察到斷口上有較為典型的疲勞“輝紋”條紋特征。因此管道產生裂紋失效機理應為疲勞引起的裂紋擴展，裂紋萌生與管道內部介質無關。

眾所周知，影響疲勞裂紋擴展的前提條件必須有交變載荷存在，其他產生疲勞裂紋萌生的影響因素主要有：（1）材料中或表面存在夾雜物；（2）機械傷痕和腐蝕凹坑；（3）結構幾何不連續(xù)處（焊縫未焊透、焊縫熔合線咬邊、幾何形狀突變等）。

從E5103出口管線平時操作記錄來分析，實際操作壓力和操作溫度狀況平穩(wěn)，波動不大。但從現(xiàn)場可以看到裂紋產生部位在大小頭的小頭段焊縫熔合區(qū)，該處緊靠管道三通，且此處連接的小管道較多，因此該處管道內介質流動狀態(tài)是不穩(wěn)定的，容易造成管道內汽液相湍流狀況，引起管道產生振動。

從管道內壁裂紋起裂部位并沒有觀察到有腐蝕凹坑等缺陷存在，也沒有觀察到材料中夾雜物開裂情況。因此管道產生裂紋的失效機理是由于管道三通以及大小頭布置位置不合理，造成管道內部介質汽液相流動不穩(wěn)定引起該處管道局部機械振動，使管道受到交變載荷作用，引起管道大小頭焊縫熔合區(qū)疲勞裂紋擴展。

3 結論與建議

（1）管道母材、焊縫材料化學成分與原設計相符，管道材料組織正常，未發(fā)現(xiàn)內部有缺陷存在，使用狀態(tài)為固溶化熱處理。

（2）該管道短節(jié)兩端焊縫均發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，該裂紋起始于管道內壁焊縫熔合線處。管道內壁熔合區(qū)產生的裂紋與管內介質因素無關，主要原因為交變載荷引起的疲勞擴展導致最終穿透外壁引起介質泄漏。直接原因是內壁熔合區(qū)幾何突變造成應力集中，然后在交變載荷作用下引起疲勞裂紋的萌生和擴展。

（3）加強對實際生產時的操作狀態(tài)監(jiān)測，巡檢工作時需注意設備及管道是否有機械振動情況。一旦發(fā)現(xiàn)必須做好記錄，在停車期間落實消振措施，對振動區(qū)域的管道焊縫、大小頭焊縫、三通彎頭焊縫進行無損探傷工作，及時進行消缺工作。

（4）建議在下次停車期間，對該區(qū)域里的管道焊縫進行質量檢查，一旦發(fā)現(xiàn)有咬邊、錯邊、未焊透、未溶合等缺陷時應及時返修。

［1］ 任頌贊.鋼鐵金相圖譜［M］.上海：上?？茖W技術出版社，2003.

Analysis on Causes of Cracking of Heat Exchanger Export Pipeline in a Refining Hydrogen Plant

Ji Weiqin
（Shanghai Petrochemical Equipment Inspection Co.，Ltd.，200540）

As leakage occurred at the welding line of transition pipe near the valve of E5103 heat exchanger export pipeline，the causes of leakage were analyzed with methods of chemical analysis and metallographical check.During the failure analysis，cracks were found on both ends of the welds of the transition pipe，which began from the inner wall of the weld line fusion zone，and the pipe material and the weld line organization were normal.The cracks in the inner pipe weld line fusion zone were caused by alternating load，which finally penetrated the outer wall through fatigue extension，and thus caused medium leakage.

weld leakage，fatigue extension，failure analysis

1674－1099 （2014）04－0056－03

TH17

A

2014－06－30。

季偉勤，男，1961年出生，工程師，2009年畢業(yè)于上海交通大學材料科學與工程專業(yè)，主要從事承壓類特種設備檢驗檢測和特種設備管理工作。