制氫裝置三通管開裂失效分析

許穎恒，關(guān)凱書，張建曉（.華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點實驗室，上海 0037；.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅蘭州 73034）

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制氫裝置三通管開裂失效分析

許穎恒1，關(guān)凱書1，張建曉2
（1.華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點實驗室，上海 200237；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730314）

摘 要：某石化企業(yè)制氫裝置中，一材料為321不銹鋼的三通管開裂，零件失效。采用金相、電鏡、能譜檢驗和硬度測試等方法對裂紋斷口進行了分析，通過應(yīng)力分析、應(yīng)力腐蝕環(huán)境的分析、管內(nèi)流體介質(zhì)的動態(tài)數(shù)值模擬，分析判斷出管道上裂紋出現(xiàn)的機理是應(yīng)力腐蝕與應(yīng)力疲勞共同作用的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：三通；應(yīng)力腐蝕；應(yīng)力疲勞；開裂；失效

0　引言

某石化企業(yè)制氫裝置中，一材料為321不銹鋼的三通管，自2013年投入使用，僅服役一年多就發(fā)生開裂失效，給生產(chǎn)帶來了損失。

深入分析、研究該生產(chǎn)裝置中零部件失效的問題，對解決類似問題、防止類似問題的再次發(fā)生至關(guān)重要，并對提高石化制氫企業(yè)的經(jīng)濟效益有著重要意義。

為此，企業(yè)及時進行了調(diào)查和分析。首先，排除了生產(chǎn)中的人員操作、設(shè)備、工藝方法等的異常問題；然后，企業(yè)提出借助產(chǎn)學(xué)研合作模式展開研究，期望利用高校重點實驗室設(shè)備儀器、數(shù)值模擬計算分析能力等特殊條件，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，對不銹鋼三通管的開裂原因進行分析，以便找到開裂原因，提出防止措施和建議。

1　工況

管道輸送的焦化干氣通過進料、脫硫、蒸汽轉(zhuǎn)化等過程后形成以H2為主、含有少量CO和CO2的混合氣體，該氣體稱為中變氣［1］。在中變氣換熱流程中，一材料為321不銹鋼的拉拔三通管道上發(fā)現(xiàn)了裂紋，位置接近于與上直管道連接的部位。圖1示出開裂三通管附近管道系統(tǒng)中變氣換熱器的工作流程。

圖1　中變氣換熱器的工作流程

中變氣從第一分液罐（D－206）流出之后通過換熱器E－202換熱，進入到第二分液罐（D－207）。為了防止換熱器E－202出現(xiàn)故障和方便檢維修，在D－206出口處設(shè)計了一個旁路分流管道。在E－202發(fā)生故障時通過閥門控制中變氣，使中變氣從分流管道中流出，直接進入D－207。虛線圓圈處的三通即為失效的三通管。旁路分流管及與換熱器E－202連接的水平管通過焊接與三通相連接，裂紋發(fā)生在三通管道上管段，即與旁路分流管道相連接的三通管上管道部位。管道的公稱直徑Dn＝350 mm，壁厚t＝15 mm，設(shè)計壓力4 MPa，介質(zhì)流速4 m/s。換熱器正常工作時，閥門是關(guān)閉的。從換熱裝置正常工作以來，閥門開啟次數(shù)很少。

中變氣介質(zhì)主要成分：70%H2，20%CO2，少量的CO與微量的H2S，Cl2，剩余為水蒸氣。經(jīng)E －202換熱器冷凝后，冷凝液主要組分：H2O，CO2及微量的H2S與Cl2，呈酸性。中變氣在冷凝換熱后，溫度在140～170℃之間，壓力在2.0～2.2 MPa范圍內(nèi)。

2　取樣檢驗

2.1 宏觀檢驗

圖2為裂紋發(fā)生位置和方向示意圖。由圖2可以看出，裂紋在三通上直管段右側(cè)（靠近平管流出一側(cè)），裂紋方向為圓周方向，屬于周向裂紋。一條裂紋位置接近于焊縫，本文稱為近焊縫處裂紋；另一條裂紋相對焊縫較遠些，稱為遠焊縫處裂紋。三通管其他部位未發(fā)現(xiàn)裂紋。圖2中還標示了分析試樣的取樣位置。

圖2　裂紋發(fā)生位置和方向示意

圖3為三通管裂紋發(fā)生處取樣照片。照片的右側(cè)邊緣是焊縫，是圖1或圖2中三通管與上管的焊接區(qū)。

圖3　三通管裂紋發(fā)生處取樣照片

2.2 金相檢驗

在近焊縫裂紋處割取金相試樣，見圖4。由圖4可看到清晰的焊縫區(qū)，一條裂紋從焊縫下邊界處起裂，平行焊縫方向擴展。

圖4　近焊縫處裂紋金相試樣

圖5示出了近焊縫處裂紋尖端剖面500倍的金相照片；圖6示出了遠焊縫處裂紋剖面200倍的金相照片。

圖5　近焊縫處裂紋尖端剖面金相照片 500×

圖6　遠焊縫處裂紋尖端剖面金相照片 200×

從裂紋的金相圖可以看到清晰的奧氏體晶界。周圍不存在除奧氏體外的其他相，裂紋在擴展時有少許的分叉，裂紋的擴展主要是以穿晶形式擴展。

為了確定裂紋的開裂機理，將圖4所示的含裂紋的金相試樣掰開，斷口宏觀形貌如圖7所示。從裂紋斷口可看到明顯的裂紋起裂源和貝殼紋。

圖7　裂紋斷口形貌

2.3 掃描電鏡斷口檢測

用掃描電鏡觀察了裂紋的宏觀形貌。圖8示出近焊縫處裂紋斷口形貌。由圖8可看到明顯的河流狀花樣，這是解理開裂的典型特征。圖9示出遠焊縫處裂紋斷口形貌，靠近管道內(nèi)壁，接近于裂紋的起裂點，除了明顯的河流狀花樣，同時，在下方區(qū)域靠近裂紋源的地方，發(fā)現(xiàn)了與河流狀花紋垂直的疲勞輝紋。

圖8　近焊縫處裂紋斷口形貌

圖9　遠焊縫處裂紋斷口形貌

2.4 硬度檢測

沿近焊縫處和遠焊縫處的裂紋擴展路徑，自裂紋源至裂紋尖端附近選取3個點，分別測量其維氏硬度，見表1。

表1　焊縫處裂紋顯微硬度（HV）

2.5 能譜檢測

采用能譜儀對近焊縫處和遠焊縫處的裂紋起裂源處材料成分進行能譜分析，結(jié)果見表2。

表2　焊縫處斷面能譜分析　%

3　應(yīng)力分析

3.1 內(nèi)壓力

三通管主要受到流體的內(nèi)壓力p的作用，壓力p在2.0～2.2 MPa范圍內(nèi)。

對于直管道，內(nèi)壓力在管壁上產(chǎn)生的主應(yīng)力分別為：周向應(yīng)力σθ、軸向應(yīng)力σz、徑向應(yīng)力σr。根據(jù)內(nèi)壓管道應(yīng)力計算公式計算：

σθ＝pDn/2t＝23.33～25.67 MPa

σr＝－p/2＝－1～－1.1 MPa

σz＝σθ/［2（1＋t/Dn）］

＝11.19～12.31 MPa

通過計算，周向應(yīng)力約為軸向應(yīng)力的2倍，但管道上只發(fā)現(xiàn)周向裂紋，沒有軸向裂紋，且材料的設(shè)計強度及安全系數(shù)充足，所以內(nèi)壓力不是造成三通管裂紋的唯一因素。

3.2 沖擊力數(shù)值模擬

3.2.1 邊界條件設(shè)定

查相關(guān)物性表，經(jīng)過換熱后的流體介質(zhì)流經(jīng)三通管處時，流體組分的混合介質(zhì)密度為79.4 kg/m3，粘度為0.0266 MPa·s。取管道內(nèi)壁的粗糙度為0.5 mm，管道公稱直徑為350 mm，介質(zhì)平均流速為4 m/s。

用Solidwork建立一段三通管道的模型，如圖10所示。與三通管連接的上管道長度取1000 mm，左邊進口管道取2000 mm，右邊出口段取1000 mm，介質(zhì)從進口端流向出口端，上段管道為自由端。

圖10　三通管立體模型

以下是一些參考數(shù)據(jù)的估算，以便于代入模型進行流體動態(tài)模擬，這些數(shù)據(jù)與管道內(nèi)實際的流體性質(zhì)和工作條件會有差距，但可以為流體的運行狀態(tài)作出定性分析。

流體的雷諾數(shù)：Re＝dρu/μ＝4185＞4000

管道的絕對粗糙度：ε/d＝0.00143

根據(jù)Moody摩擦系數(shù)圖，可查得摩擦系數(shù)λ ＝0.022。

管道兩截面之間的伯努利方程：

z1g＋u1

2/2＋p1/ρ＝z2g＋u22/2＋p2/ρ＋wf＋wf′

沿程阻力：

wf＝λu2/2d＝1.51 J/kg

從左端進口到右端出口，歷經(jīng)一個三通結(jié)構(gòu)，局部阻力系數(shù)設(shè)為1。

局部阻力：

wf′＝δu2/2＝8 J/kg

進口與出口截面的壓力差：

ΔP＝p（wf＋wf′）＝755 Pa

取進口截面與出口截面的壓差為750 Pa。

3.2.2 管內(nèi)流體介質(zhì)的動態(tài)模擬

用Ansys14.0軟件對圖10的三通管模型內(nèi)的流體進行模擬分析。將上述所得的參考數(shù)據(jù)代入該模型進行運算。

模擬計算結(jié)果以流體的模擬壓力分布圖和速度矢量圖給出，分別見圖11～13，其中壓力單位為Pa，速度單位為m/s。

圖11　壓力等值分布

圖12　速度矢量圖

圖13　速度矢量局部放大圖

3.2.3 模擬結(jié)果分析

由于介質(zhì)為氣液混合相，氣相的密度小，會浮于液相上方，從而進入三通上段管道。從圖11可以看出，靠近三通上段管道左側(cè)壁面氣體壓力較低，靠近右側(cè)壁面氣體壓力較高，因而此處的介質(zhì)流體不會是穩(wěn)定狀態(tài)，而是由于壓差的存在形成了一個漩渦流，從而對三通上管段右側(cè)近底部形成反復(fù)沖擊及沖刷（見圖12）。從圖13可以看出，三通管上段管道右側(cè)流體的速度方向向上，左側(cè)速度方向向下，且右側(cè)流速大于左側(cè)流速。流速的增加加劇了對材料的沖刷作用。

由于漩渦流的存在，其對三通管產(chǎn)生了沖擊力，從而使三通管上管段管壁產(chǎn)生了附加拉應(yīng)力。

通過模擬分析可以得出如下結(jié)論：裂紋區(qū)域受到流體沖擊及沖刷，此沖擊力為間歇沖擊，反復(fù)的沖刷作用是引起材料疲勞的應(yīng)力因素之一。

4　裂紋原因分析

通過對試樣進行金相、電鏡以及能譜分析，裂紋起裂主要由應(yīng)力腐蝕及疲勞引起。從金相圖中，觀察到裂紋的尖端分叉很少，且較為圓鈍，這與單純的應(yīng)力腐蝕有所不同，從斷口的宏觀圖上看，有明顯的貝殼紋；從掃描電鏡圖上看，有疲勞輝紋，但由于氧化物的覆蓋，貝殼紋有些模糊。通過這些特征可以確定該管道的裂紋失效不是單純的應(yīng)力腐蝕問題，屬于應(yīng)力腐蝕與疲勞交互的失效問題。引起失效的因素為：腐蝕介質(zhì)、敏感材料和拉應(yīng)力［2］。

4.1 腐蝕介質(zhì)因素

通過兩處裂紋起源處的能譜檢測，均發(fā)現(xiàn)了奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的敏感元素：硫和氯。

奧氏體型不銹鋼對Cl－的應(yīng)力腐蝕非常敏感，極少量的Cl－就有可能導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂，當(dāng)溫度達到50℃時，不銹鋼在Cl－溶液中的腐蝕敏感性隨溫度升高而增大。Cl－對奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂多數(shù)是穿晶形貌，并有樹枝狀分叉，某些條件下也沒有明顯分叉［3－5］。

從設(shè)備工況來看，140～170℃的溫度及H2S－H2O共存的濕硫化氫環(huán)境也是腐蝕的溫床。根據(jù)硬度測試，裂紋區(qū)域的硬度在196.4～266.9 HV之間，均高于321材料的正常硬度，硬度的增大可能是由于冷加工形變引起的［6］。硬度的增加使奧氏體不銹鋼對濕硫化氫腐蝕環(huán)境下的SCC有一定敏感性，加工硬化越嚴重、敏感性越高［7］。

4.2 材料分析

4.2.1 材料組織和加工工藝分析

根據(jù)圖3，裂紋均處于焊接熱影響區(qū)。由于管道材料321是含鈦的穩(wěn)定化不銹鋼，在管道安裝焊接過程中，當(dāng)溫度在425～815℃區(qū)間內(nèi)停留時［8］，奧氏體組織中的碳向晶界聚集，與鈦結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物，且以顆粒狀析出。該類碳化物在晶界上起到強化作用，且抑制（Cr，F(xiàn)e）23C6碳化物的形成，提高晶界的抗腐蝕性能。裂紋擴展更傾向于以穿晶形式擴展。如圖5，6所示，裂紋均以穿晶形式擴展。

管道的加工工藝也直接影響材料的強度和硬度，由于該三通管是拉拔而成的，因此冷作硬化將導(dǎo)致三通管硬度增加，且從底部至端部逐漸增大。如圖2所示，近焊縫裂紋區(qū)域的硬度應(yīng)大于遠焊縫裂紋區(qū)域，這與硬度測試的結(jié)果一致。

4.2.2 焊接影響

焊接過程就是一個冶金過程，焊后冷卻速度的大小直接影響焊縫強韌性。奧氏體不銹鋼具有較高的熱膨脹系數(shù)和低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，在焊接過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊接過程中，焊接接頭區(qū)域受到不均勻的加熱和冷卻作用，而周圍的母材金屬則對焊接接頭產(chǎn)生一定的剛性約束。焊接加熱時，由于焊接接頭區(qū)域不能自由地膨脹，焊縫和附近區(qū)將產(chǎn)生壓應(yīng)力。相反，冷卻時，焊接接頭區(qū)域不能自由地收縮，焊縫和附近區(qū)將產(chǎn)生拉應(yīng)力。焊接的加熱和迅速冷卻還將導(dǎo)致焊接接頭處金相組織發(fā)生變化，產(chǎn)生相變應(yīng)力，所以焊接殘余應(yīng)力為熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的疊加。由于硬度的增加，且焊接接頭的殘余應(yīng)力不可避免，因此熱影響區(qū)比母材區(qū)域?qū)CC更加敏感。

4.3 應(yīng)力影響和綜合因素

通過前面工作應(yīng)力分析及模擬可知：在垂直三通管裂紋方向，受3個力的疊加作用，第1個是由于液體內(nèi)壓力產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力；第2個是焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；第3個是旋渦流產(chǎn)生的間歇性拉應(yīng)力。這3個力的作用為應(yīng)力腐蝕及材料疲勞開裂提供了力學(xué)條件。由圖11可看出，內(nèi)壓力最大值位于三通上管段右側(cè)近底部，其產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力也最大。由反復(fù)沖擊對管壁產(chǎn)生的間歇性拉應(yīng)力屬于一種交變應(yīng)力，在該交變應(yīng)力作用下，即使低于321材料的屈服極限，也會引起微裂紋不斷萌生、集結(jié)、擴展，形成宏觀裂紋，即疲勞裂紋。開裂區(qū)域正好處于3種應(yīng)力之和最大的區(qū)域，裂紋起裂和擴展是由3種應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

5　結(jié)論

（1）該管道裂紋失效的機理是應(yīng)力腐蝕與應(yīng)力疲勞失效的共同作用；

（2）通過流體建模，運用Ansys軟件模擬分析證實：裂紋區(qū)域受到較大的流體沖擊及沖刷作用，反復(fù)的沖擊作用是引起材料應(yīng)力疲勞的關(guān)鍵原因；

（3）該管道裂紋失效的機理是應(yīng)力腐蝕與沖擊力疲勞共同作用的結(jié)果。

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修稿日期：2015－09－23

檢 驗 與 修 復(fù)

Fracture Failure Analysis on Tee in Hydrogen Production Device

XU Ying－h(huán)eng1，GUAN Kai－shu1，ZHANG Jian－xiao2
（1.Key Laboratory of Pressure Systems and Safety（MOE），School of Mechanical and Power Engineer-ing，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2.Lanzhou LS Heavy Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou 730314，China）

Abstract：In the middle temperature shift gas heat exchanger of the hydrogen plant of a petrochemical company，some cracks were found in the upper tube of a tee made from 321 stainless steel material，by which，the part failure was caused and the production was interrupted.These cracks were located on the straight pipe nearby the welded joint.The cracks were analyzed through metallographic，scanning electron microscope，energy spectrum detections and hardness test.The stresses analysis，the stress corrosion envi-ronment analysis，the dynamic numerical simulation analysis for fluid in the pipe was done then.The mechanism of crack is the co-action of stress corrosion and stress fatigue，where corrosion elements are ex-ist and the crack position of the pipe is impacted by fluid fluctuation.

Key words：tee；stress corrosion；stress fatigue；crack；failure

通訊作者：關(guān)凱書（1962－），男，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性、微試樣測試技術(shù)、過程設(shè)備失效分析與預(yù)防、納米涂層，

作者簡介：許穎恒（1989－），女，主要研究方向為化工設(shè)備失效分析和微試樣測試技術(shù)，

通信地址：200237上海市梅隴路130號華東理工大學(xué)，E－mail：baohulu926＠126.com。 200237上海市梅隴路130號華東理工大學(xué)，E－mail：guankaishu＠ecust.edu.cn。

收稿日期：2015－05－13

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.010

文章編號：1001－4837（2015）10－0061－06

文獻標志碼：B

中圖分類號：TH49；TE624