加氫裝置壓力表彈簧管開裂原因分析

呼立紅，趙 林，鄭麗群，

(1.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧沈陽110016 2.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽 110016)

加氫裝置壓力表彈簧管開裂原因分析

呼立紅1，趙 林2，鄭麗群1，2

(1.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧沈陽110016 2.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽 110016)

某煉油廠加氫裝置高壓換熱器管層出口管線所安裝的不銹鋼耐震壓力表內部彈簧管發生開裂，通過宏觀觀察、電鏡觀察、能譜分析、金相分析、氫含量分析、硬度測試、綜合分析等手段，對失效樣件進行了檢測和分析，結果表明壓力表彈簧管的開裂主要是由于工作溫度較高，加上Ni和Mo含量不達標，材料奧氏體不銹鋼內部含有過飽和的氫，由于氫分子不能及時逸出，在彈簧管扁圓頂部應力集中的部位，在濕硫化氫的環境下，發生的一種氫損傷，即硫化物應力腐蝕開裂。通過控制引進壓力表的材質、對壓力表的彈簧管需進行定氫檢測、控制介質中的水含量、適度降低工作溫度等措施可抑制開裂。

加氫 彈簧管 氫損傷 硫化物應力腐蝕開裂

某煉油廠加氫裝置高壓換熱器管層出口管線所安裝的不銹鋼耐震壓力表，安裝一年的時間發現壓力表內部彈簧管發現開裂現象。壓力表所在管線的工藝介質為餾份油、氫氣、水、硫化氫、氮化物以及氯化物;工作溫度:110-135℃;工作壓力:4.6-5.0 MPa;壓力表運行期間無超常狀況發生，操作過程中無異常操作。彈簧管材質為316SS。

1 檢測分析

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察到失效彈簧管裂紋位置位于彈簧管的側邊部，并大約處于彈簧管彎曲弧度的60-100°位置。肉眼可見裂紋長度約為20 mm，見圖1。從肉眼觀察，斷裂部位未發生明顯塑性變形，與未失效的彈簧管進行對比，其彎曲弧度沒有發生變化。

圖1 宏觀形態Fig.1 Macroscopical morphology

1.2 化學成分分析

表1所示為化學成分分析結果，元素Mo和Ni的含量不符合GB/T14976-2002《流體輸送用無縫鋼管》標準的規定。另根據GB/T222-2006《鋼的成品化學成分允許偏差》標準之規定，Mo質量濃度的允許偏差是0.1%，而測量所得Mo質量濃度與標準質量濃度的下限值偏差達到1.93%;Ni質量濃度的允許偏差是0.15%，測量所得Ni質量濃度與標準質量濃度下限值偏差為2.22%，故失效樣件的化學成分不符合標示的316SS(0Cr17Ni12Mo2)材質規定。

1.3 金相分析

失效件的金相組織形貌見圖2。從微觀小裂紋的走向進行觀察，裂紋應起源于內表面，并向外表面擴展，裂紋尖端較鈍。從金相組織結構上看，其組織為正常奧氏體，并能觀察到明顯的滑移線，這是由于加工處理過程中的形變造成的。

1.4 電鏡觀察

斷口的微觀形貌如圖3所示，從圖3形貌中可以看到，沿斷面的縱向出現較多的二次裂紋;觀察到斷口表面局部有夾雜物;斷口為沿晶和準解理斷裂，局部有二次裂紋，且二次裂紋的走向全部為縱向，這些微裂紋相連，即可導致厚度方向的 斷裂。

表1 化學成分分析Table 1 Chemical composition analysis w，%

圖2 微觀結構Fig.2 Microstructure

圖3 微觀形貌 2000×Fig.3 Fracture micro-morphology

1.5 能譜分析

對斷口表面的微區進行能譜分析，除金屬基體元素外，局部氧和硫含量較高，說明介質中含S，并未檢測到Cl離子等其他有害元素(如表2所示)。

表2 EDX分析Table 2 EDX analysis

1.6 氫含量分析

通過定氫儀對失效樣品的氫含量進行了測定，結果顯示鋼樣中的平均氫含量為10.2 μg/g。一般來說，氫在鋼鐵中的固溶度室溫下為0.1 μg/g，在高溫下也僅為 3 μg/g［1］，因此檢測結果表明，失效樣品內部含有過飽和的氫，與使用溫度高有較大關系。

1.7 硬度測試結果

表3 硬度測試Table 3 Hardness test(HV)

從硬度測試結果看出，扁圓頂部及附近硬度較直線段硬度值高，說明頂部是應力集中的位置。

2 綜合分析

從裂紋的形狀和斷口特征等因素分析，彈簧管的失效類型屬初步判斷為脆性斷裂。因為斷口有含硫物質，且斷口特征為沿晶和準解理斷裂，彈簧管在壓扁加工中，彎管頂部外表面位置必然會產生拉應力作用，加之厚度較薄，故內表面也會存在一定的拉應力作用，而對應的平行管段部位應主要受壓應力作用。加之裂紋的宏觀走向與拉應力方向垂直，說明與硫化物的應力腐蝕開裂相關。濕H2S環境中腐蝕產生的氫原子滲入鋼的內部固溶于晶格中，使鋼的脆性增加，在外加拉應力或殘余應力作用下形成硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)，其屬于氫致滯后裂紋的一種。

斷口檢測的硫元素應來源于介質中的硫化氫，硫化氫在有水環境下會逐級降解。

溶解質子在陰極區放電產生吸附氫原子:

其中，S2－是吸附氫原子反應的有效的“毒化劑”，使陰極反應析出的氫原子不易形成氫分子逸出，而在鋼的表面集中并繼續進入鋼中。

在未施加應力的條下，氫在化學勢作用下過晶格畸變擴散。組織成分中的結構缺陷，如晶界、位錯、非金屬夾雜、顯微孔隙等都是氫的陷阱。這些陷阱的存在，使氫的溶解度增加，有效擴散系數降低，促進局部氫濃度提高，發生局部塑性變形而增氫，同時增加開裂傾向。

在存在應力的條件下，吸收氫會優先擴散到裂紋尖端三向拉伸應力區，引起晶格分離。硬度測試結果，說明破裂位置是應力集中的部位。

定氫檢測的結果表明失效樣品中含有過飽和的氫，氫除了來源于外部氫，也不排除內部氫的影響。從742檢測結果看，其氫質量濃度達10.2 μg/g，材料加工中的內部氫，主要與熱處理和酸洗等加工過程有關。

硫化物應力腐蝕屬于延遲破壞，開裂可能在鋼材接觸H2S后很短時間內(幾小時、幾天)發生，也可能在數周、數月或幾年后發生，但無論破壞發生遲早，往往事先無明顯預兆。

3 結論及建議

壓力表彈簧管失效屬硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)，屬氫致滯后裂紋的一種，其失效的主要原因是工作溫度較高，加上Ni和Mo含量不達標，且內部含有過飽和氫的奧氏體不銹鋼在濕硫化氫環境中，由于氫分子不能及時逸出，在拉應力的作用下造成的開裂。針對以上失效原因，提出建議如下:

(1)嚴格控制引進壓力表的材質情況，進料需核對有效的材質分析單(常規標準成分)，且為了防止H的富集，最好將材質中的S含量降至0.002-0.005%。

(2)對壓力表的彈簧管需進行定氫檢測，消除氫損傷的內部氫環境。

(3)控制介質中的水含量，盡量避免成為濕硫化氫環境。

(4)適度降低工作溫度

［1］韓順昌等.金屬腐蝕顯微組織圖譜［M］.北京:國防工業出版社，2008:191～193.

Analysis of Cracking of Pressure Gauge Spring Tube for Hydrogenation Plant

Hu Lihong1，Zhao Lin2，Zheng Liqun1，2
(1.Shenyang ZKwell Corrosion Control Technology Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110180;2.Institute of Metal Research of Chinese Academy of Sciences，Shenyang，Liaoning 110016)

The spring tube installed in the stainless steel pressure gauge on the outlet line of HP heat exchanger in the hydrogenation plant of a refinery cracked.The macro observation，SEM and EDX examinations，energy spectrometry analysis，metallographic analysis，hydrogen content analysis and hardness test of failed samples show that the cracking of spring tube in the pressure gauge is mainly caused by high service temperature.In addition，as the Ni and Mo contents are out of specifications and austenitic stainless steel has higher content of super－saturated hydrogen，these hydrogen molecules can not be released and are concentrated in the stress－concentrated area in the top of oblate tube.The result shows that the cracking mechanism is sulfide stress corrosion cracking.Therefore，the hydrogen damage(i.e.SSCC)occurs in the wet hydrogen sulfide environment.The cracking can be controlled by selection of right material for pressure gauge，hydrogen examination of spring tube，control of water in service media and proper reduction of operating temperature，etc.

hydrogenation，spring tube，hydrogen damage，sulfide stress corrosion cracking

TE665.6

A

1007－015X(2012)04－0044－03

2012－04－ 16;修改稿收到日期:2012－05－22。

呼立紅(1981－)，女，碩士，工程師，主要從事石油化工及電力行業腐蝕失效分析工作。E-mail:hulh81814@126.com

(編輯 王菁輝)