炼油制氢装置换热器出口管线开裂原因分析

季伟勤

（上海石化设备检验检测有限公司，200540）

炼油制氢装置换热器出口管线开裂原因分析

季伟勤

（上海石化设备检验检测有限公司，200540）

E5103换热器出口管线靠近阀门大小头短节处焊缝产生泄漏，采用化学成分分析、金相检查等方法对泄露原因进行了分析。发现该管道短节两端焊缝均有裂纹存在，裂纹起始于管道内壁焊缝熔合线处，管道材料组织正常，管道内壁熔合区裂纹是由交变载荷引起的，通过疲劳扩展最终穿透外壁引起介质泄漏。

焊缝泄漏 疲劳扩展 失效分析

某石化企业制氢装置E5103换热器出口管线在巡检过程中发现靠近阀门侧大小头短节处的焊缝产生介质泄漏，随即进行停运抢修，修复后正常投运。该管线长38 m，直径325 mm，厚度10 mm，材质为0Cr18Ni10Ti，最高工作压力为2.5 MPa，工作温度为220℃左右，介质为中变气，组分为：H2（73.68%），CH4（7.02%），CO（1.97%），CO2（17.33%），另还有一定的水蒸气和少量的氯离子。管线使用已有10年，2008年10月曾进行压力管道全面检验，未发现超标缺陷，安全状况等级为2级。为分析该管线产生裂纹的具体原因，明确管线失效机理，以便采取针对性的防范措施，有必要对泄漏部位取样，进行失效分析，防止类似事件的再次发生。

1 检测和分析

1.1 管线材料化学成分分析

对管线材料母材和焊缝进行化学成分分析，结果表明现场所用材料化学成分符合0Cr18Ni10Ti基本要求。该管材为固溶化热处理状态供货管材，该材料在使用温度小于220℃，临氢介质的条件下不会产生氢损伤。

1.2 管线取样

图1 开裂管线试样

发生开裂管线取样如图1所示，发生开裂部位是在管线大小头短节管段焊缝侧，取管线大小头短节管段焊缝侧部分断口及短节另一端焊缝作为本次分析的样本。

1.3 取样材料断口宏观形貌分析

发生开裂的部位在管线大小头短节管段焊缝侧，仔细观察整个圆周断口，发现裂纹萌生处断口仍保留原始断口形貌（见图2）。裂纹萌生处部位仍清晰可见，并明显呈现出3个区域：（1）裂纹萌生区；（2）裂纹扩展区；（3）裂纹最终断裂区。

整个断口较为平坦，裂纹萌生处未发现有大量的腐蚀产物，开裂处内壁已被打磨，但从内壁大部分表面状况分析，其表面较为光洁，未发现管内介质对管线内壁有腐蚀。因此从断口整体形貌观察可以确认，裂纹是从管线内壁开始逐渐扩展，最终导致开裂，造成介质泄漏，整个断口宏观形貌显示为脆性断口特征，断口裂纹扩展沟线呈半椭圆形状。

图2 裂纹断口宏观形貌

1.4 管线材料金相组织及裂纹形貌

1.4.1 靠近裂纹断口部位材料金相组织分析

裂纹断口部位材料金相组织见图3。从图3中可以看出：管线母材组织为奥氏体，焊缝为树枝状分布的奥氏体，为固溶化热处理后的正常金相组织［1］。焊缝及母材中未发现有明显的缺陷存在，但在主裂纹旁仍存在由熔合线内壁萌生的裂纹扩展，该裂纹主要呈单枝裂纹，裂纹尖端较为钝化，从中可以看出裂纹主要是从内壁焊缝熔合线萌生并开始扩展。

图3 靠近裂纹断口处金相组织放大100倍后的裂纹

1.4.2 管道短节另一端焊缝部位金相组织分析

图4 管道短节另一端焊缝部位金相组织

对管道短节发生穿透部位的另一端焊缝也进行了金相检查，具体见图4。从图4中可以看出：母材组织为奥氏体＋孪晶，焊缝组织为树枝状奥氏体［1］，没有发现焊缝及母材中存在有明显的缺陷，基本情况与产生破裂部位的组织状况相同。虽然此处焊缝现场没有发现破裂，但从照片中仍可观察到已有裂纹存在，只是未穿透外壁。裂纹萌生处也没有观察到内壁有腐蚀情况存在，但该处焊缝与母材有几何不连续形状存在。

1.5 裂纹断口微观形貌分析

用扫描电镜中观察裂纹断口的微观形貌，图5为裂纹萌生部位形貌照片，从中可以看出开裂部位在熔合区焊缝侧内壁。断口呈树枝状脆性断裂特征，表明开裂始于焊缝，有二次裂纹存在，开裂区有细片状“辉纹”条纹存在。

图6为裂纹扩展区形貌照片，从中可以看出断口存在大量的明暗相间的“辉纹”条纹特征，说明造成裂纹扩展的主要因素为载荷变化导致的疲劳裂纹扩展，呈较为典型的疲劳脆性断口特征。裂纹最终断裂区形貌呈撕裂岭状准解理断口特征，说明是快速撕裂导致局部穿透外壁引起管内介质泄漏。

图6 裂纹扩展区形貌

2 管线断裂失效机理

根据以往的大多数制氢装置中不锈钢管道失效案例来看，有硫化氢、二氧化碳、一定量的水蒸气和少量氯离子存在的环境容易形成酸性水溶液，从而引起不锈钢产生应力腐蚀裂纹扩展。但本次管道断裂显然与应力腐蚀失效机理不同。一般而言，引起应力腐蚀裂纹失效的影响因素主要有材料、应力和环境因素，虽然管道内部介质情况、应力情况以及材料都具备上述3种因素，但从裂纹在材料金相中的形貌可以看出，裂纹呈单枝状，且裂纹尖端较为钝化，另外在断口微观形貌中可以明显观察到断口上有较为典型的疲劳“辉纹”条纹特征。因此管道产生裂纹失效机理应为疲劳引起的裂纹扩展，裂纹萌生与管道内部介质无关。

众所周知，影响疲劳裂纹扩展的前提条件必须有交变载荷存在，其他产生疲劳裂纹萌生的影响因素主要有：（1）材料中或表面存在夹杂物；（2）机械伤痕和腐蚀凹坑；（3）结构几何不连续处（焊缝未焊透、焊缝熔合线咬边、几何形状突变等）。

从E5103出口管线平时操作记录来分析，实际操作压力和操作温度状况平稳，波动不大。但从现场可以看到裂纹产生部位在大小头的小头段焊缝熔合区，该处紧靠管道三通，且此处连接的小管道较多，因此该处管道内介质流动状态是不稳定的，容易造成管道内汽液相湍流状况，引起管道产生振动。

从管道内壁裂纹起裂部位并没有观察到有腐蚀凹坑等缺陷存在，也没有观察到材料中夹杂物开裂情况。因此管道产生裂纹的失效机理是由于管道三通以及大小头布置位置不合理，造成管道内部介质汽液相流动不稳定引起该处管道局部机械振动，使管道受到交变载荷作用，引起管道大小头焊缝熔合区疲劳裂纹扩展。

3 结论与建议

（1）管道母材、焊缝材料化学成分与原设计相符，管道材料组织正常，未发现内部有缺陷存在，使用状态为固溶化热处理。

（2）该管道短节两端焊缝均发现有裂纹存在，该裂纹起始于管道内壁焊缝熔合线处。管道内壁熔合区产生的裂纹与管内介质因素无关，主要原因为交变载荷引起的疲劳扩展导致最终穿透外壁引起介质泄漏。直接原因是内壁熔合区几何突变造成应力集中，然后在交变载荷作用下引起疲劳裂纹的萌生和扩展。

（3）加强对实际生产时的操作状态监测，巡检工作时需注意设备及管道是否有机械振动情况。一旦发现必须做好记录，在停车期间落实消振措施，对振动区域的管道焊缝、大小头焊缝、三通弯头焊缝进行无损探伤工作，及时进行消缺工作。

（4）建议在下次停车期间，对该区域里的管道焊缝进行质量检查，一旦发现有咬边、错边、未焊透、未溶合等缺陷时应及时返修。

［1］ 任颂赞.钢铁金相图谱［M］.上海：上海科学技术出版社，2003.

Analysis on Causes of Cracking of Heat Exchanger Export Pipeline in a Refining Hydrogen Plant

Ji Weiqin
（Shanghai Petrochemical Equipment Inspection Co.，Ltd.，200540）

As leakage occurred at the welding line of transition pipe near the valve of E5103 heat exchanger export pipeline，the causes of leakage were analyzed with methods of chemical analysis and metallographical check.During the failure analysis，cracks were found on both ends of the welds of the transition pipe，which began from the inner wall of the weld line fusion zone，and the pipe material and the weld line organization were normal.The cracks in the inner pipe weld line fusion zone were caused by alternating load，which finally penetrated the outer wall through fatigue extension，and thus caused medium leakage.

weld leakage，fatigue extension，failure analysis

1674－1099 （2014）04－0056－03

TH17

A

2014－06－30。

季伟勤，男，1961年出生，工程师，2009年毕业于上海交通大学材料科学与工程专业，主要从事承压类特种设备检验检测和特种设备管理工作。