氢气压缩机缓冲罐热电偶接管开裂失效分析

氢气压缩机缓冲罐热电偶接管开裂失效分析

苏晓冰

天津迪艾普新材料科技有限公司  天津市  300270

摘要：由于承受交变压力载荷的作用，氢气缓冲罐接管易发生开裂失效导致介质泄漏。

某氢气压缩机出口缓冲罐小接管与加强筋板焊缝处存在疑似埋藏裂纹缺陷，通过化学成分分析、常温拉伸试验、宏观分析、金相分析、显微硬度测试、扫描电镜和能谱分析确定开裂原因。结果表明：小接管与加强筋板焊缝的熔敷金属和热影响区存在明显的夹渣、空穴和未熔合，属于制造缺陷，为清根不良和焊接操作不当造成的。建议调整筋板焊接工艺，适当增加焊接电流并降低焊速，加强清根，从而保证焊接质量。

关键词：氢气压缩机；缓冲罐热电偶；接管开裂失效；

前言：氢气压缩机是石化涉氢装置的关键设备，由电机驱动，通过隔膜或液压油等介质带动活塞在缸内进行往复运动。通过减少吸入氢气分子间距，增加氢分子动能以提高缸内氢气的压力，输出高压氢气至下游设备。工作过程包括吸气、压缩、排气和排渣。氢气压缩机缓冲罐利用罐内隔膜式或气囊式的压缩空气来平衡氢气压缩机出口的压力波动。研究表明，氢气缓冲罐中的介质氢极易扩散至钢材内部，与缺陷环境共同影响下，设备易发生氢致开裂失效。对新氢压缩机缓冲罐的出口短节开裂进行了失效分析，结果表明缓冲罐的出口短节由于连接较大质量的阀门与周期压力脉动而造成应力开裂。氢气压缩机缓冲罐接管承受外加压力交变载荷，接管焊接部位易发生泄漏。本文研究的接管结构包含加强筋，与接管无加强筋结构有所区别，这对于研究接管发生开裂失效，保证设备运行安全具有重要意义。

一、理化检验

化学成分分析。依据 采用固定式全谱直读光谱仪检测小接管材料的化学成分，小接管材料化学成分符合 ＧＢ／Ｔ８１６３—２０１８标准中 ２０号钢材料化学成分的要求。１ 

常温拉伸试验。对小接管试样进行常温纵向拉伸试验，试验小接管材料常温拉伸试验结果性能指标 屈服强度Ｒｐ０．２／ＭＰａ抗拉强度Ｒｍ／ＭＰａ伸长率Ａ／％实测值 ２６８ ４２２ ３９．０２０号钢标准值 ≥２４５ ４１０～５３０ ≥２０，小接管常温屈服强度、抗拉强度及伸长率均满足 ２０号钢材料要求，但屈服强度和抗拉强度靠近标准要求下限值。

宏观分析

小接管金相检验面为 １＃和 ２＃，夹渣、空穴（气孔）以及未熔合缺陷清晰可见。１＃样品金相检验面经磨制、抛光后，缺陷位置宏观形貌。图中夹渣、空穴和未熔合特征明显，某些夹渣和空穴在应力作用下萌生裂纹并扩展；采用 ３％硝酸酒精侵蚀，加强筋板与接管多道焊的焊缝熔敷金属、热影响区明显，暴露出缺陷。

金相分析

１＃样品母材微观组织形貌，可以发现铁素体 ＋珠光体组织，珠光体中碳化物已开始发散并逐渐向晶界扩散，但其形态尚明显，球化级别为管壁的热影响区的组织形貌，为保持马氏体位相的回火索氏体 ＋铁素体组织，未见晶粒粗大现象。熔敷金属微观组织形貌，为回火索氏体 ＋铁素体，局部存在柱状晶形态，但并不粗大，组织尚属正常。缺陷处的组织形貌缺陷主要分布在熔敷金属和热影响区。焊缝硬度值总体不高，不同部位硬度值比较如下：熔敷金属 ＞热影响区 ＞接管母材。

扫描电镜及能谱分析

２＃样品金相检测面上缺陷 ３处两部位的 ＳＥＭ形貌可以观察到大块的夹渣物，夹渣物表面存在大量空洞，部分夹渣物开裂并粉碎。可以观察到某些夹渣物表面呈絮状，一些夹渣物表面光滑，未熔合与夹渣物缺陷混合在一起。两部位均未见缺陷萌生裂纹并向基体材料进一步扩展。为进一步确认缺陷起因，对 ２＃样品缺陷 ３处两部位夹渣物进行能谱分析，其含有大量的 Ｏ，Ｓｉ和 Ｍｎ元素，以及少量的 Ｎａ，Ｔｉ，Ａｌ和 Ｃａ等元素，可知夹渣物为氧化硅、氧化锰和铁的氧化物。因此可以确认夹渣物是清根不良或焊接操作不当导致的缺陷。

二、原因分析

上述分析可知，缓冲罐小接管材料化学成分符合标准要求；其常温屈服强度、抗拉强度及延伸率均满足标准要求其母材金相组织为铁素体 ＋珠光体，球化级别 ２．５级，珠光体形态尚属正常。因此，可以排除接管由材料化学成分、力学性能和组织不良造成的开裂。宏观分析及金相分析可知，小接管与加强筋板焊缝熔敷金属和热影响区存在明显的夹渣、空穴和未熔合缺陷，某些缺陷在应力作用下萌生裂纹并扩展。对夹渣物进行能谱分析可知其主要成分为硅锰铁的氧化物靠近管壁的热影响区为保持马氏体位相的回火索氏体 ＋铁素体组织，未见晶粒粗大现象；熔敷金属微观组织为回火索氏体 ＋铁素体，局部存在柱状晶形态，但并不粗大，组织尚属正常。反映在硬度测试上，焊缝硬度值总体不高。

由于上游设备压缩机吸气、压缩、排气、排渣的工作过程，氢气缓冲罐设备及其设备管嘴承受交变压力载荷。在交变压力载荷作用下，设备部件或发生永久性累积损伤而萌生裂纹，裂纹扩展合并最终导致接管角焊缝开裂失效。相较于筒体封头对接焊缝，接管角焊缝受到应力集中的影响更为显著，即更易在较低的交变压力载荷下发生疲劳开裂。焊接缺陷引起的显微结构不连续，更易加剧焊接缺陷处裂纹萌生的过程。

综上所述，热电偶接管开裂的原因主要为 ：一方面，加强筋板与接管焊缝处存在焊接残余应力和应力集中现象 ；另一方面，起裂源于加强筋与接管连接焊缝中的夹杂、未熔合等缺陷，并伴有氧化硅和铁的氧化物等夹杂物脆生相，易萌生微裂纹。断口附近熔敷金属和热影响区存在粗大柱状晶、魏氏体和保持马氏体位相的回火组织，焊缝具有淬硬性，导致强度和韧性下降，裂纹敏感性增大。因此，在较大的焊接应力和外加交变载荷的作用下，热电偶接管产生疲劳开裂。

三、建议

根据接管开裂失效分析结果，后续设备安全管理中应做到 ：（1）注意工艺操作，避免和减缓热电偶接管承受疲劳载荷。调整加强筋板焊接工艺，降低焊接线能量和冷却速率，保证焊接质量。避免加强筋板与接管材异种钢焊接，焊接完成后应进行无损检测，避免形成焊缝缺陷 ；（2）避免加强筋板直接焊接在接管上，可分别焊接在设备和法兰上。缓冲罐小接管与加强筋板焊缝存在夹渣物、空穴和未熔合，属于原始制造缺陷，为清根不良和焊接操作不当造成的。这些缺陷与周围的焊缝熔敷金属存在明显界面，在较大的焊接应力以及外加载荷的作用下，萌生裂纹并扩展。

返修后对接管本体增加固定支撑以提高接管的刚度，增强接管的抗疲劳失效能力。建议缓冲罐再次投用后在压缩机的完整调节范围内进行接管振频和振幅的测量，确定是否仍存在共振的可能性，必要时进行谐振分析。

加强接管的监测，巡检时注意接管的泄漏情况，一旦有异常的气体泄漏，应在做好防爆措施的情况下确定机组位号并紧急停车处理。接管的检验检测主要应以根部角焊缝处的表面检查为主，必要时进行表面无损检测。建议对其他类似的缓冲罐接管进行专项检测，以及早发现问题并采取针对性措施。

结束语：对氢气压缩机缓冲罐热电偶接管进行宏观观察、化学成分分析、常规拉伸试验、显微硬度测试、扫描电镜与能谱分析检测。根据检测结果和设备运行特征进行分析后可知，热电偶接管开裂失效的原因为加强筋板与接管焊缝处存在应力集中情况和焊接残余应力，及其焊缝中存在夹杂、未熔合等缺陷，并伴有氧化硅和铁的氧化物等夹杂物脆生相。

参考文献：

[1]董万奎, 董长贵. 某氢气缓冲罐表面裂纹原因分析[J]. 化工装备技术, 2020, 41(1): 41-45.

[2]王耀伟, 田继升, 闫振星, 等. 制氢装置新氢压缩机缓冲罐出口短节开裂失效分析[J]. 辽宁化工, 2021, 50(3): 343-345.

[2]陈启华．循环氢脱硫塔入口分液罐压力表小接管失效分析[J]．石油和化工设备，2021, 24(3): 111-112.