制氫裝置循環(huán)氫管道出口短管開裂失效
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摘要：制氫裝置循環(huán)氫管道出口短管發(fā)生開裂失效。通過對材料的成分、硬度、缺陷、產(chǎn)物以及受力分析，考察了其失效成因。結(jié)果表明：由于短管材質(zhì)中存在缺陷，導(dǎo)致短節(jié)強(qiáng)度下降。同時，出口管路結(jié)構(gòu)易引發(fā)彎頭與短節(jié)連接處局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致管件應(yīng)力開裂。針對其失效原因，提出了相應(yīng)防護(hù)對策。
關(guān)鍵詞：制氫裝置；短管；應(yīng)力開裂；失效分析
制氫裝置循環(huán)氫管道出口短管彎頭下部連接有兩個較大質(zhì)量的閥門，同時為保持該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，水平管路僅加設(shè)一根鋼絲用于固定管件。短節(jié)材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)部介質(zhì)主要為循環(huán)氫，其中含有烴類（體積分?jǐn)?shù)6.75%）和少量的硫化氫（體積分?jǐn)?shù)0.35%）。該短節(jié)在運行過程中出現(xiàn)開裂，造成介質(zhì)泄漏。開裂處位于彎頭與短節(jié)之間的連接部位且貼近焊肉處，斷口較整齊，失效管件樣品，如圖1所示。
1材質(zhì)成分分析
通過便攜光譜儀對開裂管件材質(zhì)進(jìn)行成分分析[1]，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，該管件材質(zhì)主要含有Fe、Mn等元素，對照碳鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)《石油裂化用無縫鋼管》（GB9948—2006），其含量符合材質(zhì)要求。
2材質(zhì)硬度分析
采用顯微硬度計（HV-1000B）對開裂管件材質(zhì)硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，開裂管件平均維氏硬度為141.0。根據(jù)《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》（GB/T1172—1999），換算為布氏硬度為128.5，其小于碳鋼的布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)HB≤156，表明失效管件材質(zhì)硬度符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求（《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T699—2015）。3顯微形貌分析對失效件進(jìn)行取樣、打磨、拋光，并利用金相顯微鏡（BX53M,Olympus）對樣品的表面及缺陷顯微特征進(jìn)行表征，以進(jìn)一步對管件開裂成因進(jìn)行分析。失效短節(jié)側(cè)斷口及其附近缺陷形貌如圖2所示。從圖2中可以看出，短節(jié)側(cè)斷口區(qū)集中分布著較大的點狀缺陷，且在焊接熱影響區(qū)，管件區(qū)缺陷傾向集中，在一定程度上導(dǎo)致管件抗拉強(qiáng)度降低[2-3]。
4產(chǎn)物成分分析
通過X射線熒光光譜儀（XRF-180003040404，日本島津）對彎頭內(nèi)部產(chǎn)物進(jìn)行分析，彎頭內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物成分如圖3所示。產(chǎn)物主要以硫化亞鐵和鐵的氧化物為主，同時還含有少量其他雜質(zhì)元素。由于出口短管內(nèi)部介質(zhì)溫度為50℃，且管內(nèi)介質(zhì)未檢測到水，因此，該管件內(nèi)部不存在濕硫化氫腐蝕風(fēng)險，大量硫化亞鐵的積聚，主要源自高溫硫腐蝕生成的硫鐵化合物，由氫氣吹掃到出口短管并附著在內(nèi)壁上。
5靜力學(xué)分析
圖4給出了開裂管件的受力分析圖。管件在服役過程中，由于循環(huán)氫管道出口短管彎頭下部連接有兩個質(zhì)量較大的閥門，閥門的重力以及指向主管道的拉力，使得彎頭及短節(jié)處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中[4]。又因彎頭及焊肉區(qū)的壁厚遠(yuǎn)高于短節(jié)壁厚，使得彎頭形變小于短節(jié)，因此在彎頭短節(jié)連接處進(jìn)一步發(fā)生應(yīng)力集中，尤其是在該處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力及形變，最終該管件于彎頭短節(jié)連接處沿紅色箭頭方向斷裂。
6結(jié)論
循環(huán)氫管道出口短管材料中存在點狀缺陷，導(dǎo)致管件強(qiáng)度下降。同時，出口管路結(jié)構(gòu)易引發(fā)彎頭與短節(jié)連接處局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致管件應(yīng)力開裂。基于以上結(jié)論，給出如下建議：1）選材方面，對管件質(zhì)量進(jìn)行檢驗，確保材質(zhì)符合質(zhì)量要求。2）焊接方面，保證焊接質(zhì)量，避免或減少焊接后管件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。3）結(jié)構(gòu)方面，對該管路進(jìn)行有效固定，避免彎頭與短節(jié)的連接處承載高載荷應(yīng)力。
參考文獻(xiàn)：
［1］高金偉.光電光譜對碳素鋼中元素含量的分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2014.
［2］劉雨蒙.焊縫幾何尺寸及熱影響區(qū)軟化程度對管線鋼管承壓能力影響的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2015.
［3］朱亮，陳劍虹.熱影響區(qū)軟化焊接接頭應(yīng)力分布特征及強(qiáng)度預(yù)測[J].焊接學(xué)報，2004（3）：48-51．
［4］李曉亮.化工裝置中安全閥工藝設(shè)計及附屬管道應(yīng)力分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.
作者：王耀偉 欒謹(jǐn)鑫 劉炳巖 賀永鵬 舒向泉 王立達(dá) 單位：山東京博石油化工有限公司
