制氫裝置集氣管開(kāi)裂原因

盧雪梅,黃超鵬,宋文明,李燕姣,賈雅妮,侍吉清

(1.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司,上海 201518；2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司,上海 201518)

某公司在制氫中采用德希尼布(Technip)轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)氫氣及合成氣，轉(zhuǎn)化爐的上集氣管為進(jìn)料系統(tǒng)，管內(nèi)介質(zhì)為水蒸氣+天然氣，在轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)通過(guò)催化劑進(jìn)行吸熱反應(yīng)，從而產(chǎn)生氫氣等氣體。上集氣管材料為TP347H鋼，設(shè)計(jì)工作溫度為635 ℃，設(shè)計(jì)工作壓力為4.3 MPa。

2018年11月，轉(zhuǎn)化爐由于上游天燃?xì)鈹喙?0 min左右，轉(zhuǎn)化爐作為一個(gè)工藝吸熱反應(yīng)爐,無(wú)天燃?xì)膺M(jìn)入爐管內(nèi)部,其燒嘴燃燒產(chǎn)生的煙道氣熱量無(wú)法被帶走,導(dǎo)致集氣管工作壓力從4.0 MPa下降至3.0 MPa，工作溫度急速上升至675 ℃。事故之后停車檢查，發(fā)現(xiàn)上集氣管異徑連接管開(kāi)裂，開(kāi)裂位置如圖1所示，為找到制氫裝置集氣管開(kāi)裂的原因，筆者進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

圖1 集氣管開(kāi)裂位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cracking position of gas collecting tupe

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察及無(wú)損檢測(cè)

依據(jù)NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》的要求對(duì)開(kāi)裂集氣管及其附近區(qū)域進(jìn)行滲透檢測(cè)，結(jié)果表明集氣管管壁僅存在1條裂紋，位于近焊接接頭母材部位。觀察開(kāi)裂集氣管的宏觀形貌，可見(jiàn)裂紋為環(huán)向開(kāi)裂、無(wú)分叉，長(zhǎng)約120 mm，如圖2所示。通過(guò)裂紋中部開(kāi)口寬度最大，可判斷啟裂區(qū)位于裂紋中部。

圖2 集氣管裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of crack of gas collecting tupe

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)開(kāi)裂集氣管母材的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示，可知集氣管化學(xué)成分符合ASEM SA-312/SA-312M：2010SpecificationforSeamlessandWeldedAusteniticStainlessSteelPipes對(duì)TP347H鋼的要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在集氣管開(kāi)裂部位截取金相試樣，試樣垂直于焊縫，觀察面包括母材、熱影響區(qū)和焊縫。試樣經(jīng)打磨、拋光后采用王水溶液浸蝕，然后對(duì)試樣進(jìn)行觀察，如圖3所示?？梢?jiàn)集氣管焊縫的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體，組織正常；熱影響區(qū)的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體+析出相，析出相呈顆粒狀，沿奧氏體晶界分布；母材的顯微組織為奧氏體+析出相，析出相呈顆粒狀分布在奧氏體晶界處，組織存在敏化現(xiàn)象。

表1 開(kāi)裂集氣管化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition analysis results of cracked gas collecting tube (mass fraction) %

圖3 開(kāi)裂集氣管不同位置的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of cracked gas collecting tube at different positions: a) weld line; b) heat affected zone; c) base material

采用掃描電鏡對(duì)集氣管母材的顯微組織進(jìn)行觀察，如圖4所示?？梢?jiàn)晶界有大量析出物，且晶界發(fā)生寬化，有明顯的敏化特征。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對(duì)析出相及其附近區(qū)域進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明鉻元素在析出相中含量為21.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，在晶界中含量為17.8%；碳元素在析出相中含量為8.4%，在晶界中含量為3.3%，即析出相富鉻，晶界貧鉻，判斷析出相應(yīng)為Cr23C6型金屬間化合物，該化合物只有管壁溫度高于538 ℃時(shí)才能析出，析出相的存在使材料的強(qiáng)度和韌性下降[1-2]。

圖4 集氣管母材的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of base material of gas collecting tube:a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)金相試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)裂紋附近硬度較高，為386.3 HV0.2，而遠(yuǎn)離裂紋的母材硬度為248.6 HV0.2。

1.5 斷口分析

將試樣沿裂紋剖開(kāi)，采用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)行觀察，如圖5所示。裂紋的啟裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)形貌相似，均呈冰糖狀，為沿晶開(kāi)裂特征，晶粒表面附著大量氧化物，且氧化物較為致密；裂紋尖端亦呈沿晶開(kāi)裂特征，與母材和熱影響區(qū)的顯微組織相吻合，晶界存在敏化的材料易發(fā)生晶間開(kāi)裂。

圖5 開(kāi)裂集氣管斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of cracked gas collecting tube:a) crack growth zone; b) crack tip

1.6 應(yīng)力分析

采用有限元分析軟件(Ansys)計(jì)算集氣管開(kāi)裂部位超溫(3.0 MPa,675 ℃)運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)分布如圖6所示，2 510節(jié)點(diǎn)接近于開(kāi)裂部位。計(jì)算結(jié)果表明，2 510節(jié)點(diǎn)在該條件下所受應(yīng)力為89.1 MPa，經(jīng)查閱相關(guān)資料，TP347H鋼管在該溫度下的許用應(yīng)力僅為41.4 MPa，管壁所受應(yīng)力遠(yuǎn)高于其許用應(yīng)力，因此管壁在此工況下運(yùn)行時(shí)易發(fā)生失穩(wěn)開(kāi)裂。

圖6 集氣管節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.6 Node distribution diagram of gas collecting tube

2 分析與討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，集氣管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。根據(jù)金相檢驗(yàn)的結(jié)果可知焊縫組織正常，但熱影響區(qū)和母材的顯微組織存在敏化現(xiàn)象，且析出相呈顆粒狀，沿奧氏體晶界分布。TP347H鋼屬于耐熱奧氏體不銹鋼，正常情況下其顯微組織應(yīng)為奧氏體，晶界光滑，但該集氣管在運(yùn)行過(guò)程中存在超溫運(yùn)行的情況，最高溫度達(dá)到了675 ℃，剛好處于不銹鋼敏化溫度(538～816 ℃)區(qū)間，故該管壁組織中奧氏體晶界析出了硬而脆的金屬間化合物。在正常運(yùn)行條件下，TP347H鋼滿足要求，一旦超溫運(yùn)行則存在管壁開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，為了更好地保障工廠運(yùn)行的安全、穩(wěn)定，可將集氣管材料升級(jí)為Incoloy800H鎳基合金,該材料在高溫(650～1 000 ℃)下仍具有較高的強(qiáng)度[3]。

根據(jù)EDS分析結(jié)果表明，析出相富鉻，晶界貧鉻，這是由于碳向晶界擴(kuò)散的速度比鉻快，Cr23C6沿晶界沉淀時(shí)，晶界及其鄰近區(qū)域的鉻便會(huì)被大量消耗而來(lái)不及得到補(bǔ)充，從而使晶間出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象[1,4-5]。有研究表明，奧氏體不銹鋼在敏化狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊吸收功等力學(xué)性能指標(biāo)均下降，受到彎曲時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沿晶裂紋[2,6]。

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，超溫運(yùn)行時(shí)，集氣管開(kāi)裂處所受應(yīng)力值為其許用應(yīng)力的2倍多，而開(kāi)裂處位于近焊縫母材部位，該位置在生產(chǎn)過(guò)程中受焊接的影響，其應(yīng)力較其他位置的高，在應(yīng)力疊加作用下，集氣管優(yōu)先在該處開(kāi)裂，硬度測(cè)試結(jié)果也能間接證明這一點(diǎn)。因集氣管母材敏化，晶界存在顆粒狀或長(zhǎng)條狀的硬質(zhì)沉淀相，沉淀相的硬度與母材基體的相差較大，且存在突起，析出相邊緣易產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生微裂紋，微裂紋在力的作用下不斷擴(kuò)展、連接[7-9]，形成裂紋，導(dǎo)致管壁沿晶開(kāi)裂，這與裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌特征一致。

3 結(jié)論與建議

集氣管超溫運(yùn)行使富鉻碳化物在晶界處析出，管壁組織敏化，強(qiáng)度下降，且管壁所受應(yīng)力遠(yuǎn)高于其許用應(yīng)力，導(dǎo)致管壁優(yōu)先在應(yīng)力集中區(qū)域開(kāi)裂，并表現(xiàn)為沿晶開(kāi)裂。建議通過(guò)以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

(1) 優(yōu)化工藝，增設(shè)應(yīng)急預(yù)案，避免因原料斷供而引起設(shè)備超溫運(yùn)行。

(2) 材料升級(jí)，在正常運(yùn)行條件下，TP347H鋼滿足要求，但是一旦原料斷供或其他原因引起了超溫運(yùn)行，則存在管壁開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。