制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節開裂失效分析

王耀偉， 田繼升，閆振星，舒向泉，賀永鵬，王立達*

制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節開裂失效分析

王耀偉1， 田繼升2，閆振星2，舒向泉1，賀永鵬1，王立達2*

（1. 山東京博石油化工有限公司，山東 濱州 256500； 2. 大連理工大學 化工學院，遼寧 大連 116024）

制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節在服役過程中開裂失效，通過對短節材質的成分、硬度、缺陷及裂紋顯微形貌以及靜力學分析，探究了其失效成因。結果表明：短節基材中存在缺陷，導致短節強度下降；同時，出口短節結構引發固定梁連接處的應力集中，在長期交替應力的作用下，出口短節出現應力開裂。針對其失效原因，提出了相應防護對策。

制氫裝置； 短節； 應力開裂； 失效分析

制氫裝置新氫壓縮機緩沖罐出口短節端部連接較大質量的閥門，同時為保持該結構穩定性，短節端部加設有固定梁將管路與壓縮機主體進行固定。該短節材質為Q245R鋼，內部介質為常溫氫氣，其中含有甲烷（1.5 mL·m-3）與二氧化碳（0.2 mL·m-3）雜質。裝置投入使用3年后，在運行過程中出口短節開裂，造成介質泄漏。開裂處位于閥門與固定梁之間，接近固定梁焊接處，且失效短節內壁未表現明顯腐蝕痕跡，對短節進行取樣，如圖1所示。

圖1 出口短節開裂宏觀照片

1 材質成分分析

對失效管件進行取樣、制樣，并通過便攜光譜儀檢測基材成分，如表1所示。從表1中可以看出，該管材主要含有Fe、Cr、Mn等元素，其含量滿足Q245R鋼國家標準《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB713—2014）要求。

表1 管材成分

2 材質硬度分析

采用顯微硬度計（HV-1000B）對開裂管件材質硬度進行檢測，結果如表2所示。從表2中可以看出，開裂短節材質平均維氏硬度為124.9，換算為布氏硬度為119.0。而國家標準中給出Q245R的布氏硬度HB≤156 （GBT 699—2015《優質碳素結構鋼》），表明失效短節材質硬度符合國家標準要求。

表2 短節材質硬度

3 顯微形貌分析

對短節樣品進行取樣、打磨、拋光，并利用金相顯微鏡（BX53M, Olympus）對樣品的表面及裂紋顯微特征進行表征，結果如圖2所示。圖2（a）和圖2（b）給出了管件樣品裂紋的宏觀與微觀全貌，裂紋呈筆直狀，已貫穿管壁，且主裂紋周邊分布有少量的缺陷點。圖2（c）和圖2（d）顯示裂紋斷口處紋路較好地吻合，同時裂紋在裂穿過程中存在與管壁平行的轉折點，且裂紋處無明顯腐蝕痕跡，表明該管件開裂與應力密切相關。

圖2 管件主裂紋形貌

圖3給出了短節基體缺陷顯微形貌。圖3（a）和圖3（b）顯示了失效短節內部存在大量點狀缺陷，且部分缺陷點為不規則孔洞。圖3（c）和圖3（d）不僅展示了樣品內部呈蜂窩狀密集分布的點狀缺陷構成了潛在的裂紋源，而且存在未完全發展的內部裂紋缺陷，其屬管線開裂的潛在裂紋源。

圖3 管件缺陷形貌

圖4給出了短節基材裂紋顯微形貌。從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，與主裂紋垂直方向上，樣品內部顯現出明顯的裂紋，且該裂紋與管壁中較大的缺陷點連接。在進一步研磨過程中發現，交叉的兩個裂紋明顯交匯于缺陷點，如圖4（c）所示，進一步表明裂紋的誘發與管壁中的缺陷密切相關。因此，失效短節材質內部存在的缺陷在一定程度上導致管件的強度下降，大大增加了其在受力條件下的開裂風險[1]。

圖4 管件裂紋和缺陷形貌

4 靜力學分析

基于短節開裂的誘因，通過ANSYS軟件對閥門及開裂短節進行靜力學模擬分析，其中邊界條件為管路軸底端為固定支撐，遠端為自由端，出口短節的受力情況如圖5所示。在管件受到閥門的重力帶來的力矩下，根據靜力學原理[2]，該力矩可表示為管件受到一個向下的力加一個與力矩方向相同的力偶，在力偶的作用下，管件上壁承受一個拉應力，從而管件上壁出現與裂紋方向垂直的十字交叉的兩個力，如圖6所示。此外，該幾何結構易構建固定梁連接處局部應力集中，尤其是在開裂位置出現拉應力最大值，且形變最大。

圖5 出口短節受力模擬分析

圖6 管件受力分析

5 失效成因分析

基于以上分析，新氫壓縮機緩沖罐出口短節開裂主要是源自于材質內部存在缺陷導致材料強度下降，同時，出口短節外部連接有質量較大的閥門，導致該出口短節在固定梁連接處出現了較大的應力集中[3]。此外，壓縮機在工作過程中產生的周期振動引起管路出現頻繁的交變應力[4]，加劇了固定梁連接處的應力集中，從而導致該出口短節發生應力開裂。

6 結論及建議

新氫壓縮機緩沖罐出口短節開裂是由于基材中存在缺陷，短節強度下降。同時，出口短節結構引發固定梁連接處應力集中，在長期交替應力的作用下，出口短節應力開裂。基于以上結論，給出如下建議：

1）選材方面，對管路材質質量進行檢驗，確保材質質量符合要求。

2）焊接方面，對焊接質量進行檢查，避免焊接后管件內部產生缺陷。

3）結構方面，可將出口短節外部連接閥門去除，避免較大的應力集中，也可對該閥門進行有效固定，避免固定梁連接處承載高載荷、高頻率交替應力作用。

［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. 壓力管道應力分析[J]. 中國石油和化工標準與質量，2018（10）：151-152.

［3］柴保群，張紅梅. 制氫裝置中變氣不銹鋼管件開裂失效分析及對策[J]. 石油化工腐蝕與防護，2014，31（1）：59-64.

［4］吳保華. 加氫裂化裝置往復式壓縮機的管道設計要點[J]. 化工設備與管道，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

王耀偉（1979-），男，江蘇省淮安市人，工程師，研究方向：石油化工技術。

王立達（1979-），男，副教授，博士，研究方向：石油化工腐蝕與防護。

TQ 031.4

A

1004-0935（2021）03-0343-03