某公司在制氢中采用德希尼布(Technip)转化炉生产氢气及合成气，转化炉的上集气管为进料系统，管内介质为水蒸气+天然气，在转化炉炉管内通过催化剂进行吸热反应，从而产生氢气等气体。上集气管材料为TP347H钢，设计工作温度为635℃，设计工作压力为4.3MPa。

2018年11月，转化炉由于上游天燃气断供30min左右，转化炉作为一个工艺吸热反应炉，无天燃气进入炉管内部，其烧嘴燃烧产生的烟道气热量无法被带走，导致集气管工作压力从4.0MPa下降至3.0MPa，工作温度急速上升至675℃。事故之后停车检查，发现上集气管异径连接管开裂，开裂位置如图1所示，为找到制氢装置集气管开裂的原因，来自机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司和上海蓝滨石化设备有限责任公司的卢雪梅、黄超鹏、宋文明等人进行了理化检验与分析。

图1 集气管开裂位置示意图

01、理化检验

1.1宏观观察及无损检测

依据NB/T47013.5—2015《承压设备无损检测第5部分：渗透检测》的要求对开裂集气管及其附近区域进行渗透检测，结果表明集气管管壁仅存在1条裂纹，位于近焊接接头母材部位。观察开裂集气管的宏观形貌，可见裂纹为环向开裂、无分叉，长约120mm，如图2所示。通过裂纹中部开口宽度最大,可判断启裂区位于裂纹中部。

图2 集气管裂纹宏观形貌

1.2、化学成分分析

对开裂集气管母材的化学成分进行分析，可知集气管化学成分符合相关要求。

1.3金相检验

在集气管开裂部位截取金相试样，试样垂直于焊缝，观察面包括母材、热影响区和焊缝。试样经打磨、抛光后采用王水溶液浸蚀，然后对试样进行观察，如图3所示。可见集气管焊缝的显微组织为奥氏体+δ铁素体，组织正常；热影响区的显微组织为奥氏体+δ铁素体+析出相，析出相呈颗粒状，沿奥氏体晶界分布；母材的显微组织为奥氏体+析出相，析出相呈颗粒状分布在奥氏体晶界处，组织存在敏化现象。

图3 开裂集气管不同位置的显微组织形貌

采用扫描电镜对集气管母材的显微组织进行观察，如图4所示。可见晶界有大量析出物，且晶界发生宽化，有明显的敏化特征。采用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对析出相及其附近区域进行成分分析，结果表明铬元素在析出相中含量为21.7%(质量分数，下同)，在晶界中含量为17.8%；碳元素在析出相中含量为8.4%，在晶界中含量为3.3%，即析出相富铬，晶界贫铬，判断析出相应为Cr23C6型金属间化合物，该化合物只有管壁温度高于538℃时才能析出，析出相的存在使材料的强度和韧性下降。

图4 集气管母材的微观形貌

1.4硬度测试

对金相试样进行硬度测试，可以发现裂纹附近硬度较高，为386.3 HV0.2，而远离裂纹的母材硬度为248.6 HV0.2。

1.5断口分析

将试样沿裂纹剖开，采用扫描电镜(SEM)对断口进行观察，如图5所示。裂纹的启裂区和扩展区形貌相似，均呈冰糖状，为沿晶开裂特征，晶粒表面附着大量氧化物，且氧化物较为致密；裂纹尖端亦呈沿晶开裂特征，与母材和热影响区的显微组织相吻合，晶界存在敏化的材料易发生晶间开裂。

图5 开裂集气管断口SEM 形貌

1.6应力分析

采用有限元分析软件(Ansys)计算集气管开裂部位超温(3.0 MPa，675℃)运行时的应力，节点分布如图6所示，2510节点接近于开裂部位。计算结果表明，2510节点在该条件下所受应力为89.1MPa，经查阅相关资料，TP347H 钢管在该温度下的许用应力仅为41.4MPa，管壁所受应力远高于其许用应力，因此管壁在此工况下运行时易发生失稳开裂。

图6 集气管节点分布图

02、分析与讨论

由化学成分分析结果可知，集气管的化学成分符合标准的要求。根据金相检验的结果可知焊缝组织正常，但热影响区和母材的显微组织存在敏化现象，且析出相呈颗粒状，沿奥氏体晶界分布。TP347H 钢属于耐热奥氏体不锈钢，正常情况下其显微组织应为奥氏体，晶界光滑，但该集气管在运行过程中存在超温运行的情况,最高温度达到了675℃，刚好处于不锈钢敏化温度(538~816℃)区间，故该管壁组织中奥氏体晶界析出了硬而脆的金属间化合物。在正常运行条件下，TP347H钢满足要求，一旦超温运行则存在管壁开裂的风险，为了更好地保障工厂运行的安全、稳定，可将集气管材料升级为Incoloy800H镍基合金，该材料在高温(650~1000℃)下仍具有较高的强度。

根据EDS分析结果表明，析出相富铬，晶界贫铬，这是由于碳向晶界扩散的速度比铬快，Cr23C6沿晶界沉淀时，晶界及其邻近区域的铬便会被大量消耗而来不及得到补充，从而使晶间出现贫铬现象。有研究表明，奥氏体不锈钢在敏化状态下的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功等力学性能指标均下降，受到弯曲时就会产生沿晶裂纹。

应力计算结果表明，超温运行时，集气管开裂处所受应力值为其许用应力的2倍多，而开裂处位于近焊缝母材部位，该位置在生产过程中受焊接的影响，其应力较其他位置的高，在应力叠加作用下，集气管优先在该处开裂，硬度测试结果也能间接证明这一点。因集气管母材敏化，晶界存在颗粒状或长条状的硬质沉淀相，沉淀相的硬度与母材基体的相差较大，且存在突起，析出相边缘易产生应力集中，萌生微裂纹，微裂纹在力的作用下不断扩展、连接，形成裂纹，导致管壁沿晶开裂，这与裂纹扩展区的形貌特征一致。

03、结论与建议

集气管超温运行使富铬碳化物在晶界处析出，管壁组织敏化，强度下降，且管壁所受应力远高于其许用应力，导致管壁优先在应力集中区域开裂，并表现为沿晶开裂。建议通过以下两个方面进行改进。

 (1) 优化工艺，增设应急预案，避免因原料断供而引起设备超温运行。

(2)材料升级，在正常运行条件下，TP347H钢满足要求，但是一旦原料断供或其他原因引起了超温运行，则存在管壁开裂的风险。

作者：卢雪梅1,2，黄超鹏1,2，宋文明1,2，李燕姣1,2，贾雅妮1,2，侍吉清1,2；

单位：

1.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司

2.上海蓝滨石化设备有限责任公司；