氫氣管道開裂原因分析與整改措施

齊 聰

浙江石油化工有限公司 浙江舟山 316000

某工廠裝置框架局部發生火災，應急處置完成后，現場檢查發現該區域氫氣管道母材局部開裂，開口明顯，與管子縱向平行，長度約140mm，附近設備、管道、儀表及結構等有明顯過火痕跡。開裂部位見圖1。

圖1 開裂管道外觀圖

氫氣是一種極易燃燒的氣體，屬于石油化工甲類可燃氣體，在4%～74%的濃度時與空氣混合或占5%～95%的濃度時與氯氣混合時極易爆炸，在熱、日光或火花的刺激下易引爆。經核查該氫氣管道資料，管道材質為20# 碳鋼，材料標準為GB9948- 2013《石油裂化用無縫鋼管》，規格Φ114×6。

為保證裝置氫氣管道安全運行，杜絕類似事故的再次發生，對氫氣管道開裂的原因進行了全面分析。對設計圖紙進行查詢，管道材質、規格等選用符合設計規范；詳細查閱裝置運行記錄、操作曲線等資料，無違規操作情況；檢查現場施工記錄，按施工規范要求進行了壓力試驗，結果合格；根據GB9948- 2013《石油裂化用無縫鋼管》要求，檢查材料質量證明文件，化學成分、力學性能、工藝性能、無損檢測等符合制造標準要求，并在現場對開裂材料進行了便攜式光譜檢測，材質合格。通過對設計、施工、材料等方面的初步調查，無法確定氫氣管道開裂的具體原因，因此需要進一步對開裂管段的材質進行測試和分析，主要有宏觀檢查、化學成分分析、厚度檢測、機械性能、金相檢驗、電鏡觀察及能譜分析等，找出氫氣管道的性能劣化和組織變化情況，便于詳細分析開裂原因，為后續制定有效的預防措施提供技術支撐。

1 宏觀檢查

為了更全面、客觀地檢查管道情況，對開裂部位近端和遠端材料均取樣觀察。從開口位置及附近外觀形貌看，開裂兩端耦合性差，開口位置存在明顯脫皮，附近有明顯宏觀塑性變形特征，主要表現為向外凸起翹曲，7# 位置存在較厚柱狀灰黑色覆蓋物。詳見圖2 和圖3。

圖2 開裂管子整體外觀

圖3 管子局部外觀

在體視顯微鏡下分別對1# 、4# 斷口（人為斷口）和2# 、3# 及其匹配斷口進行觀察和厚度測量，各斷口上均可見黑色光滑的覆蓋物及紅色鐵銹。其中2# 、3# 試樣主斷口厚度均在5mm 以上，但其匹配斷口厚度較小，只有3mm，存在明顯宏觀塑性變形。詳見圖4。

圖4 2# 斷口宏觀形貌

2 化學成分分析

按照GB9948- 2013《石油裂化用無縫鋼管》標準要求取樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析，結果符合標準要求。詳見表1。

表1 化學成分分析結果 wt%

3 厚度檢測

開口處因撕裂變形，為了有效檢測管道材料厚度，分別對1# 、2# 、3# 和4# 開裂部位遠端，選取有代表性部位進行厚度檢測，結果滿足管道規格厚度6mm 要求。詳見表2。

表2 開裂部位遠端厚度檢測結果 mm

4 機械性能檢測

分別在開裂部位近端和遠端取樣，進行縱向拉伸和沖擊試驗，試驗結果表明，近端和遠端試樣各項機械性能指標均符合GB9948- 2013《石油裂化用無縫鋼管》要求，近端由于距離高溫區近，性能略低于遠端。見表3。

表3 機械性能檢測結果

5 金相檢測

對1# 、2# 、3# 、4# 斷口分別進行拋光金相檢測和4%硝酸酒精腐蝕金相檢測。

1# 斷口截面拋光金相顯示，組織內部存在較多不連續彎曲的微裂紋，靠近斷口局部已脫落。4%硝酸酒精腐蝕后組織微裂紋均沿晶界開裂，顯微組織為網狀鐵素體、晶界生長出的羽毛狀相互平行的鐵素體、珠光體，該組織與20# 鋼的魏氏組織特征相符，是材料從高溫快速冷卻時形成。

2# 斷口截面外側拋光態金相組織顯示，斷口表面及背面均存在厚度不均的灰色層，斷口面的較薄，為黑白相間組織，背面的灰色層較厚，幾乎無白色組織，該灰色層中均可見圓形空洞，組織疏松，此外背面基體一定深度內還可見大量黑色氧化物。內側拋光態金相顯示，斷口面及盆面均發現灰色層，斷口面內部可見孔洞，盆面存在白色疏松層，為常溫腐蝕層。4%硝酸酒精腐蝕后，外側的斷口及背面為灰色層，為基體燒蝕形成，白色點狀組織為基體殘留，灰色為燒蝕產物，基體近表面為粗大的為魏氏體組織，晶粒和鐵素體特別粗大。內側斷口及盆面無燒蝕層，晶粒和鐵素體相對較小，為相對較細的魏氏體組織。見圖5、圖6。

圖5 2# 斷口截面外側拋光態宏觀、微觀形貌

圖6 2# 斷口截面外側4%硝酸酒精腐蝕后顯微形貌

3# 斷口截面外側拋光態金相組織顯示，斷口表面及背面存在灰色層，斷口面的灰色層較薄，背面的灰色層較厚，可見空洞、疏松狀組織，背面基體還可見大量黑色氧化物。內側拋光態金相顯示，斷口面及盆面均存在灰色層，斷口面內部有孔洞，盆面存在白色疏松層。4%硝酸酒精腐蝕后，外側的斷口及背面為灰色層，屬于基體燒蝕形成的組織，基體近表面為粗大的為魏氏體組織，晶粒和鐵素體粗大。內側斷口及盆面無燒蝕層，晶粒和鐵素體較小，為相對較細的魏氏體組織。通過拋光態和腐蝕態金相檢測對比，3# 斷口金相形貌特征與2# 相似，外側表面同樣存在燒蝕現象，但燒蝕程度沒2# 嚴重，近表面可見粗大魏氏組織，內側魏氏組織較細。見圖7、圖8。

圖7 3# 斷口截面外側拋光態宏觀、微觀形貌

圖8 3# 斷口截面外側4%硝酸酒精腐蝕后顯微形貌

對4# 斷口截面進行拋光態及腐蝕態金相組織檢測對比，發現4# 斷口截面拋光態及腐蝕態金相組織形貌特征與3# 相似，外側表面同樣存在燒蝕現象，但燒蝕程度沒3# 嚴重，近表面可見粗大魏氏組織，內側魏氏組織較細。

對5# 、6# 試樣的金相磨面經4%硝酸酒精腐蝕后檢測，金相組織為等軸鐵素體+ 珠光體，屬正常組織，但相比而言，6# 試樣組織較細，與6# 試樣遠離高溫熱源有關。

6 非金屬夾雜物檢測

在金相檢測的同時，對金屬中非金屬夾雜物進行測定。將顯微觀察到的視場與GB/ T 10561- 2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定－標準評級圖顯微檢驗法》標準圖譜進行比對，符合標準中規定的D 類“球狀氧化物類，不變形，帶角或圓形的，形態比小（一般小于3），黑色或者帶藍色的，無規則分布的顆粒”中2 級，未發現粗細夾雜物。滿足標準GB9948- 2013《石油裂化用無縫鋼管》中規定的：鋼管的非金屬夾雜物按GB/ T 10561- 2005 中的A法評級，A、B、C、D 各類夾雜物（粗系和細系）級別應分別不大于2.5 級，A、B、C、D 各類夾雜物的細系級別總數與粗細級別總數應各不大于6.5 級的要求。

7 電鏡觀察及能譜分析

對1# 、4# 進行電鏡觀察，斷口表面可見高溫氧化燒蝕特征，斷口局部可見沿晶特征的斷口形貌。1# 、4# 為人為斷口，斷口呈沿晶+ 韌窩的混合型斷口。詳見圖9、圖10。

圖9 1# 斷口宏觀、微觀形貌

圖10 4# 斷口宏觀、微觀形貌

對2# 、3# 斷口進行電鏡觀察（圖11、圖12），斷口表面均可見高溫氧化燒蝕特征。3# 斷口表面由于銹蝕產物及覆蓋物過多，未發現明顯沿晶特征。4# 斷口局部可見沿晶特征的斷口形貌。

圖11 2# 斷口宏觀、微觀形貌

圖12 3# 斷口宏觀、微觀形貌

對2# 、3# 斷口表面及背面覆蓋物進行能譜分析，結果表明，除含有較多Fe、O 元素外，還存在Zn、Mn、Si 等元素。見表4。

表4 能譜分析結果

8 綜合分析

通過宏觀檢查結果表明，管子開裂部位外表面大部分覆蓋物已脫落，但斷口及其外表面局部仍可見殘留黑色光滑覆蓋物。管子遠端試樣的化學成分、厚度檢測、機械性能、金相組織、非金屬夾雜物等分析結果均符合GB9948- 2013《石油裂化用無縫鋼管》要求，距離管子開裂處較近位置力學性能雖然相對遠端有所降低，但仍符合標準要求，說明管道原材料合格。通過斷口金相組織表明，斷口外側表面及背面存在黑白相間的基體燒蝕產物，近表面則為粗大的魏氏體組織，而斷口內側未發現基體燒蝕特征，且魏氏體組織相對細小。通過斷口電鏡觀察及能譜分析表明，斷口局部可見沿晶斷裂特征，表面覆蓋物主要為鐵氧化物。根據以上特征可判斷，該管的開裂性質為高溫燒蝕。

從斷口截面由外到內金相組織的不同特征推斷，外表面首先受到高溫作用，表面嚴重氧化脫碳，隨著高溫時間持續，基體開始出現燒蝕，近表面晶界開始氧化，次表面由于受到高溫作用晶粒開始急速長大，中心組織及內側受到的溫度也較高，在后續冷卻過程中均形成了魏氏組織，由于晶界弱化的原因，斷口呈沿晶特征。

結合技術分析結果，對現場進一步檢查發現，氫氣管道開裂部位附近設備存在法蘭連接，管道開裂部位朝向設備，且此部位過火較為嚴重。據此推斷，設備法蘭密封局部泄漏產生明火，烘烤臨近氫氣管道致使局部強度下降而破裂。對設備法蘭密封進行檢查測試，存在漏點。

9 結論和整改預防措施

針對本次事故，從設計、工藝操作、施工、材料各方面進行了調查，通過對管道開裂部位的全面檢測技術分析和現場檢查，得出了氫氣管道開裂原因：設備法蘭密封存在漏點，介質泄漏產生明火，烘烤臨近氫氣管道，管子外表面由于受到高溫作用，表面出現燒蝕，基體內部晶界開始氧化、晶粒急劇長大，組織進一步惡化，致使材料強度不足，最終發生沿晶開裂，導致管子破裂，氫氣介質泄漏導致火勢擴大。

根據分析原因，制定了整改預防措施。對氫氣管道進行更換，對臨近儀表、結構進行修復，對設備法蘭等臨近其他密封進行全方位檢查、緊固和泄漏性檢測，并加強該區域的運行監控和監測，確保密封無泄漏。