制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節(jié)開裂失效分析

王耀偉， 田繼升，閆振星，舒向泉，賀永鵬，王立達*

制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節(jié)開裂失效分析

王耀偉1， 田繼升2，閆振星2，舒向泉1，賀永鵬1，王立達2*

（1. 山東京博石油化工有限公司，山東 濱州 256500； 2. 大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 大連 116024）

制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節(jié)在服役過程中開裂失效，通過對短節(jié)材質(zhì)的成分、硬度、缺陷及裂紋顯微形貌以及靜力學(xué)分析，探究了其失效成因。結(jié)果表明：短節(jié)基材中存在缺陷，導(dǎo)致短節(jié)強度下降；同時，出口短節(jié)結(jié)構(gòu)引發(fā)固定梁連接處的應(yīng)力集中，在長期交替應(yīng)力的作用下，出口短節(jié)出現(xiàn)應(yīng)力開裂。針對其失效原因，提出了相應(yīng)防護對策。

制氫裝置； 短節(jié)； 應(yīng)力開裂； 失效分析

制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節(jié)端部連接較大質(zhì)量的閥門，同時為保持該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，短節(jié)端部加設(shè)有固定梁將管路與壓縮機主體進行固定。該短節(jié)材質(zhì)為Q245R鋼，內(nèi)部介質(zhì)為常溫氫氣，其中含有甲烷（1.5 mL·m-3）與二氧化碳（0.2 mL·m-3）雜質(zhì)。裝置投入使用3年后，在運行過程中出口短節(jié)開裂，造成介質(zhì)泄漏。開裂處位于閥門與固定梁之間，接近固定梁焊接處，且失效短節(jié)內(nèi)壁未表現(xiàn)明顯腐蝕痕跡，對短節(jié)進行取樣，如圖1所示。

圖1 出口短節(jié)開裂宏觀照片

1 材質(zhì)成分分析

對失效管件進行取樣、制樣，并通過便攜光譜儀檢測基材成分，如表1所示。從表1中可以看出，該管材主要含有Fe、Cr、Mn等元素，其含量滿足Q245R鋼國家標準《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB713—2014）要求。

表1 管材成分

2 材質(zhì)硬度分析

采用顯微硬度計（HV-1000B）對開裂管件材質(zhì)硬度進行檢測，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，開裂短節(jié)材質(zhì)平均維氏硬度為124.9，換算為布氏硬度為119.0。而國家標準中給出Q245R的布氏硬度HB≤156 （GBT 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》），表明失效短節(jié)材質(zhì)硬度符合國家標準要求。

表2 短節(jié)材質(zhì)硬度

3 顯微形貌分析

對短節(jié)樣品進行取樣、打磨、拋光，并利用金相顯微鏡（BX53M, Olympus）對樣品的表面及裂紋顯微特征進行表征，結(jié)果如圖2所示。圖2（a）和圖2（b）給出了管件樣品裂紋的宏觀與微觀全貌，裂紋呈筆直狀，已貫穿管壁，且主裂紋周邊分布有少量的缺陷點。圖2（c）和圖2（d）顯示裂紋斷口處紋路較好地吻合，同時裂紋在裂穿過程中存在與管壁平行的轉(zhuǎn)折點，且裂紋處無明顯腐蝕痕跡，表明該管件開裂與應(yīng)力密切相關(guān)。

圖2 管件主裂紋形貌

圖3給出了短節(jié)基體缺陷顯微形貌。圖3（a）和圖3（b）顯示了失效短節(jié)內(nèi)部存在大量點狀缺陷，且部分缺陷點為不規(guī)則孔洞。圖3（c）和圖3（d）不僅展示了樣品內(nèi)部呈蜂窩狀密集分布的點狀缺陷構(gòu)成了潛在的裂紋源，而且存在未完全發(fā)展的內(nèi)部裂紋缺陷，其屬管線開裂的潛在裂紋源。

圖3 管件缺陷形貌

圖4給出了短節(jié)基材裂紋顯微形貌。從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，與主裂紋垂直方向上，樣品內(nèi)部顯現(xiàn)出明顯的裂紋，且該裂紋與管壁中較大的缺陷點連接。在進一步研磨過程中發(fā)現(xiàn)，交叉的兩個裂紋明顯交匯于缺陷點，如圖4（c）所示，進一步表明裂紋的誘發(fā)與管壁中的缺陷密切相關(guān)。因此，失效短節(jié)材質(zhì)內(nèi)部存在的缺陷在一定程度上導(dǎo)致管件的強度下降，大大增加了其在受力條件下的開裂風(fēng)險[1]。

圖4 管件裂紋和缺陷形貌

4 靜力學(xué)分析

基于短節(jié)開裂的誘因，通過ANSYS軟件對閥門及開裂短節(jié)進行靜力學(xué)模擬分析，其中邊界條件為管路軸底端為固定支撐，遠端為自由端，出口短節(jié)的受力情況如圖5所示。在管件受到閥門的重力帶來的力矩下，根據(jù)靜力學(xué)原理[2]，該力矩可表示為管件受到一個向下的力加一個與力矩方向相同的力偶，在力偶的作用下，管件上壁承受一個拉應(yīng)力，從而管件上壁出現(xiàn)與裂紋方向垂直的十字交叉的兩個力，如圖6所示。此外，該幾何結(jié)構(gòu)易構(gòu)建固定梁連接處局部應(yīng)力集中，尤其是在開裂位置出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，且形變最大。

圖5 出口短節(jié)受力模擬分析

圖6 管件受力分析

5 失效成因分析

基于以上分析，新氫壓縮機緩沖罐出口短節(jié)開裂主要是源自于材質(zhì)內(nèi)部存在缺陷導(dǎo)致材料強度下降，同時，出口短節(jié)外部連接有質(zhì)量較大的閥門，導(dǎo)致該出口短節(jié)在固定梁連接處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中[3]。此外，壓縮機在工作過程中產(chǎn)生的周期振動引起管路出現(xiàn)頻繁的交變應(yīng)力[4]，加劇了固定梁連接處的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致該出口短節(jié)發(fā)生應(yīng)力開裂。

6 結(jié)論及建議

新氫壓縮機緩沖罐出口短節(jié)開裂是由于基材中存在缺陷，短節(jié)強度下降。同時，出口短節(jié)結(jié)構(gòu)引發(fā)固定梁連接處應(yīng)力集中，在長期交替應(yīng)力的作用下，出口短節(jié)應(yīng)力開裂?；谝陨辖Y(jié)論，給出如下建議：

1）選材方面，對管路材質(zhì)質(zhì)量進行檢驗，確保材質(zhì)質(zhì)量符合要求。

2）焊接方面，對焊接質(zhì)量進行檢查，避免焊接后管件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。

3）結(jié)構(gòu)方面，可將出口短節(jié)外部連接閥門去除，避免較大的應(yīng)力集中，也可對該閥門進行有效固定，避免固定梁連接處承載高載荷、高頻率交替應(yīng)力作用。

［1］MOHTADI-BONAB M A. Effects of different parameters on initiation and propagation of stress corrosion cracks in pipeline steels: a review [J]., 2019, 9(5):590.

［2］李靖. 壓力管道應(yīng)力分析[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量，2018（10）：151-152.

［3］柴保群，張紅梅. 制氫裝置中變氣不銹鋼管件開裂失效分析及對策[J]. 石油化工腐蝕與防護，2014，31（1）：59-64.

［4］吳保華. 加氫裂化裝置往復(fù)式壓縮機的管道設(shè)計要點[J]. 化工設(shè)備與管道，2016，53（6）：54-57.

Analysis on Cracking Failure of Short Pipe at the Outlet of Buffer Tank of New Hydrogen Compressor 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 outlet short pipe of buffer tank of new hydrogen compressor in the hydrogen production unit cracked in service. Based on the analysis of the composition, hardness, defects, micro morphology and static analysis of the material, the causes of the failure were explored. The results showed that there were defects in the material of short pipe, which led to the decrease of the strength of the pipe. At the same time, the stress concentration at the joint of the fixed beam was caused by the exit short pipe structure. Under the effect of long-term alternating stress, the short pipe appeared the stress cracking. In view of the failure reasons, the corresponding protective measures were put forward.

Hydrogen production unit; Short pipe; Stress cracking; Failure analysis

2020-10-26

王耀偉（1979-），男，江蘇省淮安市人，工程師，研究方向：石油化工技術(shù)。

王立達（1979-），男，副教授，博士，研究方向：石油化工腐蝕與防護。

TQ 031.4

A

1004-0935（2021）03-0343-03