制氢装置循环氢管道出口短管开裂失效

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摘要：制氢装置循环氢管道出口短管发生开裂失效。通过对材料的成分、硬度、缺陷、产物以及受力分析，考察了其失效成因。结果表明：由于短管材质中存在缺陷，导致短节强度下降。同时，出口管路结构易引发弯头与短节连接处局部应力集中，最终导致管件应力开裂。针对其失效原因，提出了相应防护对策。

关键词：制氢装置；短管；应力开裂；失效分析

制氢装置循环氢管道出口短管弯头下部连接有两个较大质量的阀门，同时为保持该结构稳定性，水平管路仅加设一根钢丝用于固定管件。短节材质为碳钢，内部介质主要为循环氢，其中含有烃类（体积分数6.75%）和少量的硫化氢（体积分数0.35%）。该短节在运行过程中出现开裂，造成介质泄漏。开裂处位于弯头与短节之间的连接部位且贴近焊肉处，断口较整齐，失效管件样品，如图1所示。

1材质成分分析

通过便携光谱仪对开裂管件材质进行成分分析[1]，结果如表1所示。从表1中可以看出，该管件材质主要含有Fe、Mn等元素，对照碳钢的国家标准《石油裂化用无缝钢管》（GB9948—2006），其含量符合材质要求。

2材质硬度分析

采用显微硬度计（HV-1000B）对开裂管件材质硬度进行检测，结果如表2所示。从表2中可以看出，开裂管件平均维氏硬度为141.0。根据《黑色金属硬度及强度换算值》（GB/T1172—1999），换算为布氏硬度为128.5，其小于碳钢的布氏硬度标准HB≤156，表明失效管件材质硬度符合国家标准要求（《优质碳素结构钢》GB/T699—2015）。3显微形貌分析对失效件进行取样、打磨、抛光，并利用金相显微镜（BX53M,Olympus）对样品的表面及缺陷显微特征进行表征，以进一步对管件开裂成因进行分析。失效短节侧断口及其附近缺陷形貌如图2所示。从图2中可以看出，短节侧断口区集中分布着较大的点状缺陷，且在焊接热影响区，管件区缺陷倾向集中，在一定程度上导致管件抗拉强度降低[2-3]。

4产物成分分析

通过X射线荧光光谱仪（XRF-180003040404，日本岛津）对弯头内部产物进行分析，弯头内部腐蚀产物成分如图3所示。产物主要以硫化亚铁和铁的氧化物为主，同时还含有少量其他杂质元素。由于出口短管内部介质温度为50℃，且管内介质未检测到水，因此，该管件内部不存在湿硫化氢腐蚀风险，大量硫化亚铁的积聚，主要源自高温硫腐蚀生成的硫铁化合物，由氢气吹扫到出口短管并附着在内壁上。

5静力学分析

图4给出了开裂管件的受力分析图。管件在服役过程中，由于循环氢管道出口短管弯头下部连接有两个质量较大的阀门，阀门的重力以及指向主管道的拉力，使得弯头及短节处出现了较大的应力集中[4]。又因弯头及焊肉区的壁厚远高于短节壁厚，使得弯头形变小于短节，因此在弯头短节连接处进一步发生应力集中，尤其是在该处产生最大拉应力及形变，最终该管件于弯头短节连接处沿红色箭头方向断裂。

6结论

循环氢管道出口短管材料中存在点状缺陷，导致管件强度下降。同时，出口管路结构易引发弯头与短节连接处局部应力集中，最终导致管件应力开裂。基于以上结论，给出如下建议：1）选材方面，对管件质量进行检验，确保材质符合质量要求。2）焊接方面，保证焊接质量，避免或减少焊接后管件内部产生缺陷。3）结构方面，对该管路进行有效固定，避免弯头与短节的连接处承载高载荷应力。

参考文献：

［1］高金伟.光电光谱对碳素钢中元素含量的分析[D].大庆：东北石油大学，2014.

［2］刘雨蒙.焊缝几何尺寸及热影响区软化程度对管线钢管承压能力影响的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2015.

［3］朱亮，陈剑虹.热影响区软化焊接接头应力分布特征及强度预测[J].焊接学报，2004（3）：48-51．

［4］李晓亮.化工装置中安全阀工艺设计及附属管道应力分析[D].大连：大连理工大学，2014.

作者：王耀伟 栾谨鑫 刘炳岩 贺永鹏 舒向泉 王立达 单位：山东京博石油化工有限公司