制氫裝置循環氫管道出口短管開裂失效

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摘要：制氫裝置循環氫管道出口短管發生開裂失效。通過對材料的成分、硬度、缺陷、產物以及受力分析，考察了其失效成因。結果表明：由于短管材質中存在缺陷，導致短節強度下降。同時，出口管路結構易引發彎頭與短節連接處局部應力集中，最終導致管件應力開裂。針對其失效原因，提出了相應防護對策。

關鍵詞：制氫裝置；短管；應力開裂；失效分析

制氫裝置循環氫管道出口短管彎頭下部連接有兩個較大質量的閥門，同時為保持該結構穩定性，水平管路僅加設一根鋼絲用于固定管件。短節材質為碳鋼，內部介質主要為循環氫，其中含有烴類（體積分數6.75%）和少量的硫化氫（體積分數0.35%）。該短節在運行過程中出現開裂，造成介質泄漏。開裂處位于彎頭與短節之間的連接部位且貼近焊肉處，斷口較整齊，失效管件樣品，如圖1所示。

1材質成分分析

通過便攜光譜儀對開裂管件材質進行成分分析[1]，結果如表1所示。從表1中可以看出，該管件材質主要含有Fe、Mn等元素，對照碳鋼的國家標準《石油裂化用無縫鋼管》（GB9948—2006），其含量符合材質要求。

2材質硬度分析

采用顯微硬度計（HV-1000B）對開裂管件材質硬度進行檢測，結果如表2所示。從表2中可以看出，開裂管件平均維氏硬度為141.0。根據《黑色金屬硬度及強度換算值》（GB/T1172—1999），換算為布氏硬度為128.5，其小于碳鋼的布氏硬度標準HB≤156，表明失效管件材質硬度符合國家標準要求（《優質碳素結構鋼》GB/T699—2015）。3顯微形貌分析對失效件進行取樣、打磨、拋光，并利用金相顯微鏡（BX53M,Olympus）對樣品的表面及缺陷顯微特征進行表征，以進一步對管件開裂成因進行分析。失效短節側斷口及其附近缺陷形貌如圖2所示。從圖2中可以看出，短節側斷口區集中分布著較大的點狀缺陷，且在焊接熱影響區，管件區缺陷傾向集中，在一定程度上導致管件抗拉強度降低[2-3]。

4產物成分分析

通過X射線熒光光譜儀（XRF-180003040404，日本島津）對彎頭內部產物進行分析，彎頭內部腐蝕產物成分如圖3所示。產物主要以硫化亞鐵和鐵的氧化物為主，同時還含有少量其他雜質元素。由于出口短管內部介質溫度為50℃，且管內介質未檢測到水，因此，該管件內部不存在濕硫化氫腐蝕風險，大量硫化亞鐵的積聚，主要源自高溫硫腐蝕生成的硫鐵化合物，由氫氣吹掃到出口短管并附著在內壁上。

5靜力學分析

圖4給出了開裂管件的受力分析圖。管件在服役過程中，由于循環氫管道出口短管彎頭下部連接有兩個質量較大的閥門，閥門的重力以及指向主管道的拉力，使得彎頭及短節處出現了較大的應力集中[4]。又因彎頭及焊肉區的壁厚遠高于短節壁厚，使得彎頭形變小于短節，因此在彎頭短節連接處進一步發生應力集中，尤其是在該處產生最大拉應力及形變，最終該管件于彎頭短節連接處沿紅色箭頭方向斷裂。

6結論

循環氫管道出口短管材料中存在點狀缺陷，導致管件強度下降。同時，出口管路結構易引發彎頭與短節連接處局部應力集中，最終導致管件應力開裂。基于以上結論，給出如下建議：1）選材方面，對管件質量進行檢驗，確保材質符合質量要求。2）焊接方面，保證焊接質量，避免或減少焊接后管件內部產生缺陷。3）結構方面，對該管路進行有效固定，避免彎頭與短節的連接處承載高載荷應力。

參考文獻：

［1］高金偉.光電光譜對碳素鋼中元素含量的分析[D].大慶：東北石油大學，2014.

［2］劉雨蒙.焊縫幾何尺寸及熱影響區軟化程度對管線鋼管承壓能力影響的研究[D].秦皇島：燕山大學，2015.

［3］朱亮，陳劍虹.熱影響區軟化焊接接頭應力分布特征及強度預測[J].焊接學報，2004（3）：48-51．

［4］李曉亮.化工裝置中安全閥工藝設計及附屬管道應力分析[D].大連：大連理工大學，2014.

作者：王耀偉 欒謹鑫 劉炳巖 賀永鵬 舒向泉 王立達 單位：山東京博石油化工有限公司