中变气出口管线焊缝泄漏分析和应对措施

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

1 装置概况

3号制氢装置以天然气为原料，采用蒸汽转化法造气和变压吸附(简称PSA)法氢气提纯的工艺技术,设计制氢能力55 kt/a。制气部分由中石化上海工程有限公司设计，PSA提纯单元由专利商提供成套的技术，所产氢气送公司氢气管网，供芳烃部、炼油部等使用。

该制氢装置属甲类生产装置，火灾危险性介质主要有甲、乙类可燃气体、甲A类可燃液体。 2012年7月中交，9月29日开始点火烘炉，11月25日装置正式开车。

2 工艺简介

该装置造气部分主要由加氢、脱硫、转化和中变4个部分组成。

(1)原料气进入加氢反应器R-2001，在催化剂的作用下，发生加氢反应，使原料气中的硫转化为硫化氢。

(2)加氢后的物料进入装有脱氯剂、脱硫剂的脱硫反应器R-2002A/B，在此进行脱硫、脱氯，精制后的气体中总硫质量分数小于0.5 μg/g，总氯质量分数小于0.4 μg/g，然后进入转化部分。

(3)经预处理后的原料气在进入转化炉F-2001之前，按水碳比一定的比例，与装置自产的3.5 MPa水蒸气混合，转化炉炉管内装有转化催化剂Z417/Z418(NiO)，在催化剂的作用下，原料气与水蒸气发生转化反应。

经过冷却脱水的中变气进入PSA吸附提纯，获得纯度大于等于99.9%的产品氢气，并入公司氢气管网[2-3]。

3 E-2004出口中变气管线焊缝泄漏

E-2004为中变气/除盐水换热器，进E-2004管线(P10701)中变气温度为165 ℃，出口管线(P10705)中变气温度为95 ℃,与未经过换热器管线(P10704)温度165 ℃进行混合，混合后的温度为158 ℃(流程见图1)。该氢气管道平时操作压力2.5 MPa。

图1 换热器出口中变气管线

该区域中变气管线材质为TP321，在管线P10705二股温度相差70 ℃左右中变气混合区域处焊缝工作条件苛刻，一方面该区域温度时刻变化，另一方面受物料介质二氧化碳、一氧化碳和水蒸气等影响。

该区域管线焊缝分布见图2。在2015年8月19日3号焊缝泄漏,2016年3月3日4号焊缝泄漏,2017年5月7日3号焊缝泄漏，相同工况在炼油部2号制氢也泄漏两次。

图2 管线焊口号

引起3号制氢装置非计划停车，对公司芳烃部高压加氢、炼油部中压加氢、渣油加氢等装置降负荷操作等，影响极大。

4 焊缝泄漏原因分析

2015年8月装置停车，为了分析该管道焊口开裂失效原因，对该焊口进行现场分析。

4.1 管道焊缝及母材材料化学成分

为了确认所用材质，对管道母材和焊缝进行了化学成分分析，分析结果见表1。由表1可以确认,现场用材设计符合成分要求，为TP321奥氏体不锈钢管材。

4.2 管道焊缝开裂及断口宏观形貌

图3为焊缝开裂部位内外壁宏观形貌。从图3可以看出,外壁裂纹位于焊缝中央，沿焊缝方向呈笔直型开裂。从内壁观察裂纹起裂于焊缝熔合线。开裂处内外壁均无变形迹象，说明裂纹呈脆性开裂特征。裂纹两侧并未发现细小的分枝裂纹。

图4为焊缝断口宏观形貌。从图4可以看出，整个断口较为平坦，明显存在起裂区、裂纹扩展区,外壁边缘有剪切唇存在,断口呈脆性特征。

表1 氢气管道母材与焊缝材料化学成分分析 w,%

图3 焊缝开裂部位内外壁宏观形貌

图4 焊缝断口宏观形貌

4.3 管道材料金相组织分析

为了检查材料内部是否存在缺陷和材料组织是否异常，对贯穿裂纹附近进行材料金相检查。图5为裂纹金相试样照片。

从图5可以清楚地观察到裂纹起裂始于内壁焊缝熔合线，呈笔直单条扩展穿透外壁。从内壁表面观察此处焊缝有较大堆高。熔合线母材表面存在焊前机械打磨留下的有规则的条纹。由于焊缝堆高与母材连接处形成“缺口”效应，在此处裂纹萌生。

图6为裂纹附近部位材料的金相照片。从图6可以看出,母材组织为奥氏体+孪晶+少量碳化物，焊缝组织为奥氏体粗状晶+少量铁素体δ相。裂纹两侧有穿晶小裂纹，熔合区未发现有明显缺陷存在。

图6 裂纹附近材料金相照片

4.4 管道裂纹断口微观形貌分析

为了解焊缝开裂的失效机理，将裂纹面进行SEM(扫描电子显微镜)断口微观形貌分析。

图7和图8为裂纹起裂区断口的微观形貌。从图7和图8可以观察到,起裂区断口未发现缺陷存在。在裂纹扩展区断口上可观察到典型的疲劳辉纹花样。

图9为最终断裂区断口的微观形貌。从图9可以看到明显的裂纹扩展的前缘线标记，局部可观察到有韧窝状花样。

图10为始裂区和最终断裂区断口的微观形貌。从图10可以看出,由于起裂区开裂时间长，断口上留有较多的腐蚀产物，而最终断裂区断口较为新鲜，呈典型的脆性疲劳断口特征。

图7 裂纹起裂部位的断口微观形貌

图8 裂纹扩展区的断口微观形貌

图9 裂纹最终断裂区的断口微观形貌

图10 最终断裂断口微观形貌

4.5 管道焊缝开裂失效综合分析

4.5.1 疲劳断裂机理分析

疲劳是材料在交变应力下(远低于屈服应力)持续作用下发生的断裂现象。疲劳破坏过程主要分为4个阶段。

(1)疲劳裂纹的形成。裂纹成核阶段交变应力作用—滑移—金属的挤出和挤入—形成微裂纹的核。影响疲劳裂纹扩展的前提条件必须有交变载荷存在，其次产生疲劳裂纹萌生的影响因素主要有：材料临近表面区存在夹杂物、机械伤痕和腐蚀凹坑，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)。交变应力作用致使金属表面产生不均匀滑移，并形成驻留滑移带，进而驻留滑移带上形成挤出峰和挤入槽，导致裂纹的萌生。该阶段没有疲劳条带特征。

(2)微观裂纹扩展阶段。疲劳裂纹扩展第二阶段会形成疲劳条带，随着拉应力的增加，交变滑移面上的滑移，引起裂纹张开和裂尖钝化;随着压缩应力的增加，在交变滑移面上，由于部分滑移面倒置，致使裂纹闭合和裂尖再次钝化。

(3)宏观裂纹扩展阶段。

(4)断裂。当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。

4.5.2 浓度变化

从现场可以看到焊缝裂纹产生部位在E2004出口管道三通下面两股温度不同(一股165 ℃左右，另一股95 ℃左右)中变气混合区域，温差在70 ℃左右且时刻变化。

5 解决措施

(1)取消E2004出口管线P10705处3号、4号和5号3条焊缝(其中3号和4号两条焊缝已发生过泄漏)，采用管件组合件。从根源上解决该管线由于温度、物料等交变载荷引起的疲劳。

(2)对该区域同批次同材质管线焊缝进行射线检测普查，2016年共检查焊缝69道，返修4道，2017年查16道，返修6道。

(3)严格选用焊丝，施工队伍严格按照焊接规程作业，严格执行焊接工艺要求，按规范进行验收。

6 结 论

(1)根据对材料的化学成分分析，现场用管材与原设计相符，为TP321奥氏体不锈钢管材。

(2)根据管道材料金相组织分析，造成开裂的主要影响因素是由于内壁焊缝堆高太深，使焊缝与母材之间形成“缺口”效应，引起应力集中，在该处造成疲劳裂纹的萌生。

(3)根据断口宏观形貌和微观形貌分析，本次造成管道焊缝开裂失效的主要原因是由于交变载荷引起的疲劳裂纹扩展所致。

[1] 韩其利,王贤山,魏艳艳,等.焦化干气制氢装置提高制氢量研究[J].当代化工,2016,45(4):803-804,808.

[2] 宋强波.大型制氢装置的工程应用[J].广州化工,2017,45(17):145-146,149.

[3] 孙维.制氢装置尾气中的CO2回收及利用[J].科技经济导刊,2017(25):115,110.