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某公司在制氫中采用德希尼布(Technip)轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)氫氣及合成氣，轉(zhuǎn)化爐的上集氣管為進料系統(tǒng)，管內(nèi)介質(zhì)為水蒸氣+天然氣，在轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)通過催化劑進行吸熱反應(yīng)，從而產(chǎn)生氫氣等氣體。上集氣管材料為TP347H鋼，設(shè)計工作溫度為635℃，設(shè)計工作壓力為4.3MPa。

2018年11月，轉(zhuǎn)化爐由于上游天燃氣斷供30min左右，轉(zhuǎn)化爐作為一個工藝吸熱反應(yīng)爐，無天燃氣進入爐管內(nèi)部，其燒嘴燃燒產(chǎn)生的煙道氣熱量無法被帶走，導(dǎo)致集氣管工作壓力從4.0MPa下降至3.0MPa，工作溫度急速上升至675℃。事故之后停車檢查，發(fā)現(xiàn)上集氣管異徑連接管開裂，開裂位置如圖1所示，為找到制氫裝置集氣管開裂的原因，來自機械工業(yè)上海藍亞石化設(shè)備檢測所有限公司和上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司的盧雪梅、黃超鵬、宋文明等人進行了理化檢驗與分析。

圖1 集氣管開裂位置示意圖

01、理化檢驗

1.1宏觀觀察及無損檢測

依據(jù)NB/T47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測第5部分：滲透檢測》的要求對開裂集氣管及其附近區(qū)域進行滲透檢測，結(jié)果表明集氣管管壁僅存在1條裂紋，位于近焊接接頭母材部位。觀察開裂集氣管的宏觀形貌，可見裂紋為環(huán)向開裂、無分叉，長約120mm，如圖2所示。通過裂紋中部開口寬度最大,可判斷啟裂區(qū)位于裂紋中部。

圖2 集氣管裂紋宏觀形貌

1.2、化學(xué)成分分析

對開裂集氣管母材的化學(xué)成分進行分析，可知集氣管化學(xué)成分符合相關(guān)要求。

1.3金相檢驗

在集氣管開裂部位截取金相試樣，試樣垂直于焊縫，觀察面包括母材、熱影響區(qū)和焊縫。試樣經(jīng)打磨、拋光后采用王水溶液浸蝕，然后對試樣進行觀察，如圖3所示?？梢娂瘹夤芎缚p的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體，組織正常；熱影響區(qū)的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體+析出相，析出相呈顆粒狀，沿奧氏體晶界分布；母材的顯微組織為奧氏體+析出相，析出相呈顆粒狀分布在奧氏體晶界處，組織存在敏化現(xiàn)象。

圖3 開裂集氣管不同位置的顯微組織形貌

采用掃描電鏡對集氣管母材的顯微組織進行觀察，如圖4所示?？梢娋Ы缬写罅课龀鑫?，且晶界發(fā)生寬化，有明顯的敏化特征。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對析出相及其附近區(qū)域進行成分分析，結(jié)果表明鉻元素在析出相中含量為21.7%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，在晶界中含量為17.8%；碳元素在析出相中含量為8.4%，在晶界中含量為3.3%，即析出相富鉻，晶界貧鉻，判斷析出相應(yīng)為Cr23C6型金屬間化合物，該化合物只有管壁溫度高于538℃時才能析出，析出相的存在使材料的強度和韌性下降。

圖4 集氣管母材的微觀形貌

1.4硬度測試

對金相試樣進行硬度測試，可以發(fā)現(xiàn)裂紋附近硬度較高，為386.3 HV0.2，而遠離裂紋的母材硬度為248.6 HV0.2。

1.5斷口分析

將試樣沿裂紋剖開，采用掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察，如圖5所示。裂紋的啟裂區(qū)和擴展區(qū)形貌相似，均呈冰糖狀，為沿晶開裂特征，晶粒表面附著大量氧化物，且氧化物較為致密；裂紋尖端亦呈沿晶開裂特征，與母材和熱影響區(qū)的顯微組織相吻合，晶界存在敏化的材料易發(fā)生晶間開裂。

圖5 開裂集氣管斷口SEM 形貌

1.6應(yīng)力分析

采用有限元分析軟件(Ansys)計算集氣管開裂部位超溫(3.0 MPa，675℃)運行時的應(yīng)力，節(jié)點分布如圖6所示，2510節(jié)點接近于開裂部位。計算結(jié)果表明，2510節(jié)點在該條件下所受應(yīng)力為89.1MPa，經(jīng)查閱相關(guān)資料，TP347H 鋼管在該溫度下的許用應(yīng)力僅為41.4MPa，管壁所受應(yīng)力遠高于其許用應(yīng)力，因此管壁在此工況下運行時易發(fā)生失穩(wěn)開裂。

圖6 集氣管節(jié)點分布圖

02、分析與討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，集氣管的化學(xué)成分符合標準的要求。根據(jù)金相檢驗的結(jié)果可知焊縫組織正常，但熱影響區(qū)和母材的顯微組織存在敏化現(xiàn)象，且析出相呈顆粒狀，沿奧氏體晶界分布。TP347H 鋼屬于耐熱奧氏體不銹鋼，正常情況下其顯微組織應(yīng)為奧氏體，晶界光滑，但該集氣管在運行過程中存在超溫運行的情況,最高溫度達到了675℃，剛好處于不銹鋼敏化溫度(538~816℃)區(qū)間，故該管壁組織中奧氏體晶界析出了硬而脆的金屬間化合物。在正常運行條件下，TP347H鋼滿足要求，一旦超溫運行則存在管壁開裂的風(fēng)險，為了更好地保障工廠運行的安全、穩(wěn)定，可將集氣管材料升級為Incoloy800H鎳基合金，該材料在高溫(650~1000℃)下仍具有較高的強度。

根據(jù)EDS分析結(jié)果表明，析出相富鉻，晶界貧鉻，這是由于碳向晶界擴散的速度比鉻快，Cr23C6沿晶界沉淀時，晶界及其鄰近區(qū)域的鉻便會被大量消耗而來不及得到補充，從而使晶間出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象。有研究表明，奧氏體不銹鋼在敏化狀態(tài)下的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功等力學(xué)性能指標均下降，受到彎曲時就會產(chǎn)生沿晶裂紋。

應(yīng)力計算結(jié)果表明，超溫運行時，集氣管開裂處所受應(yīng)力值為其許用應(yīng)力的2倍多，而開裂處位于近焊縫母材部位，該位置在生產(chǎn)過程中受焊接的影響，其應(yīng)力較其他位置的高，在應(yīng)力疊加作用下，集氣管優(yōu)先在該處開裂，硬度測試結(jié)果也能間接證明這一點。因集氣管母材敏化，晶界存在顆粒狀或長條狀的硬質(zhì)沉淀相，沉淀相的硬度與母材基體的相差較大，且存在突起，析出相邊緣易產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生微裂紋，微裂紋在力的作用下不斷擴展、連接，形成裂紋，導(dǎo)致管壁沿晶開裂，這與裂紋擴展區(qū)的形貌特征一致。

03、結(jié)論與建議

集氣管超溫運行使富鉻碳化物在晶界處析出，管壁組織敏化，強度下降，且管壁所受應(yīng)力遠高于其許用應(yīng)力，導(dǎo)致管壁優(yōu)先在應(yīng)力集中區(qū)域開裂，并表現(xiàn)為沿晶開裂。建議通過以下兩個方面進行改進。

 (1) 優(yōu)化工藝，增設(shè)應(yīng)急預(yù)案，避免因原料斷供而引起設(shè)備超溫運行。

(2)材料升級，在正常運行條件下，TP347H鋼滿足要求，但是一旦原料斷供或其他原因引起了超溫運行，則存在管壁開裂的風(fēng)險。

作者：盧雪梅1,2，黃超鵬1,2，宋文明1,2，李燕姣1,2，賈雅妮1,2，侍吉清1,2；

單位：

1.機械工業(yè)上海藍亞石化設(shè)備檢測所有限公司

2.上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司；