制氢装置新氢压缩机缓冲罐出口短节开裂失效分析

王耀伟， 田继升，闫振星，舒向泉，贺永鹏，王立达*

制氢装置新氢压缩机缓冲罐出口短节开裂失效分析

王耀伟1， 田继升2，闫振星2，舒向泉1，贺永鹏1，王立达2*

（1. 山东京博石油化工有限公司，山东 滨州 256500； 2. 大连理工大学 化工学院，辽宁 大连 116024）

制氢装置新氢压缩机缓冲罐出口短节在服役过程中开裂失效，通过对短节材质的成分、硬度、缺陷及裂纹显微形貌以及静力学分析，探究了其失效成因。结果表明：短节基材中存在缺陷，导致短节强度下降；同时，出口短节结构引发固定梁连接处的应力集中，在长期交替应力的作用下，出口短节出现应力开裂。针对其失效原因，提出了相应防护对策。

制氢装置； 短节； 应力开裂； 失效分析

制氢装置新氢压缩机缓冲罐出口短节端部连接较大质量的阀门，同时为保持该结构稳定性，短节端部加设有固定梁将管路与压缩机主体进行固定。该短节材质为Q245R钢，内部介质为常温氢气，其中含有甲烷（1.5 mL·m-3）与二氧化碳（0.2 mL·m-3）杂质。装置投入使用3年后，在运行过程中出口短节开裂，造成介质泄漏。开裂处位于阀门与固定梁之间，接近固定梁焊接处，且失效短节内壁未表现明显腐蚀痕迹，对短节进行取样，如图1所示。

图1 出口短节开裂宏观照片

1 材质成分分析

对失效管件进行取样、制样，并通过便携光谱仪检测基材成分，如表1所示。从表1中可以看出，该管材主要含有Fe、Cr、Mn等元素，其含量满足Q245R钢国家标准《锅炉和压力容器用钢板》（GB713—2014）要求。

表1 管材成分

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，开裂短节材质平均维氏硬度为124.9，换算为布氏硬度为119.0。而国家标准中给出Q245R的布氏硬度HB≤156 （GBT 699—2015《优质碳素结构钢》），表明失效短节材质硬度符合国家标准要求。

表2 短节材质硬度

3 显微形貌分析

对短节样品进行取样、打磨、抛光，并利用金相显微镜（BX53M, Olympus）对样品的表面及裂纹显微特征进行表征，结果如图2所示。图2（a）和图2（b）给出了管件样品裂纹的宏观与微观全貌，裂纹呈笔直状，已贯穿管壁，且主裂纹周边分布有少量的缺陷点。图2（c）和图2（d）显示裂纹断口处纹路较好地吻合，同时裂纹在裂穿过程中存在与管壁平行的转折点，且裂纹处无明显腐蚀痕迹，表明该管件开裂与应力密切相关。

图2 管件主裂纹形貌

图3给出了短节基体缺陷显微形貌。图3（a）和图3（b）显示了失效短节内部存在大量点状缺陷，且部分缺陷点为不规则孔洞。图3（c）和图3（d）不仅展示了样品内部呈蜂窝状密集分布的点状缺陷构成了潜在的裂纹源，而且存在未完全发展的内部裂纹缺陷，其属管线开裂的潜在裂纹源。

图3 管件缺陷形貌

图4给出了短节基材裂纹显微形貌。从图4（a）和图4（b）中可以看出，与主裂纹垂直方向上，样品内部显现出明显的裂纹，且该裂纹与管壁中较大的缺陷点连接。在进一步研磨过程中发现，交叉的两个裂纹明显交汇于缺陷点，如图4（c）所示，进一步表明裂纹的诱发与管壁中的缺陷密切相关。因此，失效短节材质内部存在的缺陷在一定程度上导致管件的强度下降，大大增加了其在受力条件下的开裂风险[1]。

图4 管件裂纹和缺陷形貌

4 静力学分析

基于短节开裂的诱因，通过ANSYS软件对阀门及开裂短节进行静力学模拟分析，其中边界条件为管路轴底端为固定支撑，远端为自由端，出口短节的受力情况如图5所示。在管件受到阀门的重力带来的力矩下，根据静力学原理[2]，该力矩可表示为管件受到一个向下的力加一个与力矩方向相同的力偶，在力偶的作用下，管件上壁承受一个拉应力，从而管件上壁出现与裂纹方向垂直的十字交叉的两个力，如图6所示。此外，该几何结构易构建固定梁连接处局部应力集中，尤其是在开裂位置出现拉应力最大值，且形变最大。

图5 出口短节受力模拟分析

图6 管件受力分析

5 失效成因分析

基于以上分析，新氢压缩机缓冲罐出口短节开裂主要是源自于材质内部存在缺陷导致材料强度下降，同时，出口短节外部连接有质量较大的阀门，导致该出口短节在固定梁连接处出现了较大的应力集中[3]。此外，压缩机在工作过程中产生的周期振动引起管路出现频繁的交变应力[4]，加剧了固定梁连接处的应力集中，从而导致该出口短节发生应力开裂。

6 结论及建议

新氢压缩机缓冲罐出口短节开裂是由于基材中存在缺陷，短节强度下降。同时，出口短节结构引发固定梁连接处应力集中，在长期交替应力的作用下，出口短节应力开裂。基于以上结论，给出如下建议：

1）选材方面，对管路材质质量进行检验，确保材质质量符合要求。

2）焊接方面，对焊接质量进行检查，避免焊接后管件内部产生缺陷。

3）结构方面，可将出口短节外部连接阀门去除，避免较大的应力集中，也可对该阀门进行有效固定，避免固定梁连接处承载高载荷、高频率交替应力作用。

［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. 压力管道应力分析[J]. 中国石油和化工标准与质量，2018（10）：151-152.

［3］柴保群，张红梅. 制氢装置中变气不锈钢管件开裂失效分析及对策[J]. 石油化工腐蚀与防护，2014，31（1）：59-64.

［4］吴保华. 加氢裂化装置往复式压缩机的管道设计要点[J]. 化工设备与管道，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

王耀伟（1979-），男，江苏省淮安市人，工程师，研究方向：石油化工技术。

王立达（1979-），男，副教授，博士，研究方向：石油化工腐蚀与防护。

TQ 031.4

A

1004-0935（2021）03-0343-03