制氢装置中变器入口管线法兰开裂原因分析

制氢装置中变器入口管线法兰开裂原因分析

作者姓名：王译文

单位名称：辽河石化

单位省市：辽宁省盘锦市

单位邮编：124000

摘要：介绍辽河石化公司1.0×104Nm3/h制氢装置中温变换反应器入口管线失效法兰，采用宏观、低倍分析，材质分析，金相分析及显微硬度测试，扫描电镜及能谱等分析方法，对开裂法兰的化学成分、力学性能、裂纹附近及基体的显微组织进行分析和测试，通过分析及探讨得出，应力腐蚀是产生裂纹的根本原因。通过采取消除应力、材质升级、操作优化等措施取得良好效果，确保装置长周期平稳运行。

关键词：中温变换反应器、法兰、应力腐蚀、裂纹。

1 失效法兰简介

2020年11月2日，辽河石化公司1.0×104Nm3/h制氢装置中温变换反应器入口法兰发生泄漏，反应器顶部入口处“8”字盲板两侧法兰处出现贯穿裂纹。北侧法兰（盲板后）裂纹出现在法兰颈部与管线的焊接热影响区，南侧法兰（盲板前）裂纹出现在法兰颈部根部。该压力管道为转化气蒸汽发生器出口至中温变换反应器入口，工艺介质为中变气，主要组成为氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气。管线规格Φ273×9.5mm；操作温度420℃；操作压力2.0MPa；法兰型号：DN250、PN6.4，材质为321（1Cr18Ni9Ti）。

2 裂纹检测分析

2.1宏观、低倍分析

北侧法兰（盲板后）：裂纹在法兰颈部，裂纹源主要集中在法兰颈部外壁的焊缝热影响区附近（开裂最宽的区域），裂纹先由外向内穿透管壁后，又分别沿着两侧管壁环形快速扩展，实测裂纹总长度约840mm。裂纹为脆性断裂。裂纹源处的断口颜色较暗，腐蚀产物较多，为陈旧断口（开裂时间较久）。南侧法兰（盲板前）：裂纹在法兰颈部根部，呈环向开裂（与焊缝平行），裂纹总长度约690mm。切割后发现该法兰是一个焊接组合体，即法兰本体与其颈部是焊接在一起的，裂纹产生于法兰外壁颈部的根部区域，由外向内扩展。

图1 法兰裂纹剖面图

2.2 材质分析

北侧法兰：法兰材质为S41595（GB/T423-2015，0Cr13Ni5Mo），与设计图纸不符（设计材质为321不锈钢），其中Ni元素的含量高于标准，材质不合格；南侧法兰：法兰本体材质为304不锈钢，与设计图纸不符（设计为321），且其中C含量偏高，Cr含量偏低，材质不合格；法兰颈部材质和其与管线焊缝材质相同，其成分较接近306不锈钢，但却含有较高的Cu含量，C含量也偏高，因此无标准牌号相对应。

2.3 金相分析及显微硬度测试

北侧法兰：法兰颈部的金相组织为板条状马氏体，属于开裂敏感组织。裂纹产生于法兰的颈部与焊缝熔合处的热影响区并由外向内发展，具有应力腐蚀破坏特征。南侧法兰：裂纹集中出现在法兰颈部的根部，由外向内扩展，在法兰本体、颈部及连接两者的焊缝处均有。法兰本体与颈部连接仅在法兰内外表面有很小的焊点（单侧V型）。法兰本体和颈部金相组织均为奥氏体，裂纹由外向内沿晶扩展。法兰本体和颈部的金相组织均有一定程度的敏化倾向，裂纹都是沿晶开裂，具有晶间型应力腐蚀开裂的特征。

2.4 扫描电镜及能谱分析

北侧法兰：裂纹源区断口表面有腐蚀产物附着，能谱分析表明断口上有Cl、S、O等腐蚀性元素存在；在断口的裂纹扩展区，可见裂纹扩展所形成的河流状（解理）断口形貌。裂纹源位置有氯元素的沉积，说明起裂与腐蚀性元素的侵蚀（Cl、S、O）有关，特别是局部氯的富集与沉积。南侧法兰：裂纹源区断口表面有腐蚀产物附着，能谱分析表明断口上有Cl、S、O等腐蚀性元素存在；在断口的裂纹扩展区，可见裂纹扩展所形成的沿晶冰糖块状断口。根据断口的微观形貌观察和表面成分分析结果，主要的开裂机制为沿晶型的应力腐蚀开裂，其中腐蚀性介质来源为Cl、S、O等腐蚀性元素。

3 裂纹原因分析

3.1 焊接热裂纹分析

南、北两侧法兰开裂的根本原因均为应力腐蚀开裂。其中：北侧法兰开裂原因是在法兰与管线焊缝的法兰颈一侧（马氏体不锈钢）热影响区发生应力腐蚀开裂，形成初始裂纹源，在应力作用下裂纹扩展，形成失效；南侧法兰开裂原因是在法兰颈部外壁的根部区域（法兰制造过程中的焊接区域）发生应力腐蚀开裂，形成初始裂纹源，在应力作用下裂纹沿晶扩展，形成失效。

3.2 材料因素分析

法兰选材不当、材质不合格是产生应力腐蚀开裂的材料因素。北侧法兰选用了S41595超级马氏体不锈钢，其材质化学成分不符合标准，且马氏体组织硬度高、脆性大，具有较高的开裂敏感性，同时与硬度差异较大的奥氏体不锈钢进行焊接也易形成焊接残余应力集中等问题。南侧法兰本体含碳高、含铬低，材质化学成分不符合标准，法兰颈部选材不明并且碳含量也较高，导致两种材料焊接后晶间贫铬，提高了发生腐蚀开裂的敏感性。

3.3 环境因素分析

由于“8”字盲板处保温铁皮存在缝隙，进入保温层的水中溶解的Cl元素是应力腐蚀开裂的介质因素。Cl的来源为玻璃棉保温材料中氯化物的遇水溶解，在装置开、停工切换的频繁升温、降温过程中，含氯水溶液的蒸发会使Cl在管线表面逐渐富集，当Cl富集到一定程度时遇水就会具备引发不锈钢应力腐蚀开裂的条件。根据应力腐蚀开裂的发生条件判断，裂纹源形成于装置停工期间的管线温度较低条件下。

3.4 工艺介质分析

因原料组成复杂且不稳定，不能保证工艺介质中Cl-含量在合格范围。Cl- 的存在会破坏钢表面的腐蚀产物膜，阻碍产物膜的形成，而且会促进产物膜下钢的点蚀。Cl-浓度越高，不锈钢应力腐蚀破裂的敏感性越大。

3.5 管道力系分析

焊接过程中的残余应力、设计和安装过程中形成的结构应力以及运行过程中因温度变化产生的运行应力是应力腐蚀发生和裂纹扩展的应力因素。根据现场情况，该组法兰连接的管线存在支撑不足的问题（下方管廊水平段管线有3处弹簧吊挂，立管中部有1处支撑），而且两侧管线存在错口，因此结构应力可能是引起应力腐蚀开裂的主要应力因素。

4 预防措施

（1）材料。严控材料和施工质量，按照设计要求对入厂材料进行检验，杜绝随意变更替代。条件允许的情况下进行焊前消氢和焊后热处理消除应力。

（2）防腐。不锈钢设备和管线应严格按要求选用氯含量低的保温材料，并注意做好保温防水措施。

（3）工艺。严格规范工艺操作，车间定期对系统凝液（中变气分液罐）进行分析，特别关注Cl-的含量，视情况分析制氢转化气、原料蒸汽、中变气成分，发现问题后再进行工艺整改。

（4）力系平衡。要采取有效措施降低管线承受的结构应力。

（5）监测。腐蚀监测可以深入了解管道的腐蚀损伤程度，提前采取腐蚀控制措施和解决方案，可以防止管道腐蚀穿孔及泄露，严格执行定期对管线进行超声导波检测和在线测厚。

5结语

制氢装置中变器入口法兰的开裂主要原因是焊接部位热影响区应力腐蚀造成，建议今后严格控制管道材料和施工质量，更换高含氯保温材料，严格控制工艺指标，对失效的吊架及管托进行更换，定期对压力管道进行监测。避免应力腐蚀及Cl-腐蚀对设备和管线造成腐蚀泄漏。杜绝发生安全事故，保证装置的长周期安全稳定运行。

参考文献

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