氢气管道开裂原因分析与整改措施

齐 聪

浙江石油化工有限公司 浙江舟山 316000

某工厂装置框架局部发生火灾，应急处置完成后，现场检查发现该区域氢气管道母材局部开裂，开口明显，与管子纵向平行，长度约140mm，附近设备、管道、仪表及结构等有明显过火痕迹。开裂部位见图1。

图1 开裂管道外观图

氢气是一种极易燃烧的气体，属于石油化工甲类可燃气体，在4%～74%的浓度时与空气混合或占5%～95%的浓度时与氯气混合时极易爆炸，在热、日光或火花的刺激下易引爆。经核查该氢气管道资料，管道材质为20# 碳钢，材料标准为GB9948- 2013《石油裂化用无缝钢管》，规格Φ114×6。

为保证装置氢气管道安全运行，杜绝类似事故的再次发生，对氢气管道开裂的原因进行了全面分析。对设计图纸进行查询，管道材质、规格等选用符合设计规范；详细查阅装置运行记录、操作曲线等资料，无违规操作情况；检查现场施工记录，按施工规范要求进行了压力试验，结果合格；根据GB9948- 2013《石油裂化用无缝钢管》要求，检查材料质量证明文件，化学成分、力学性能、工艺性能、无损检测等符合制造标准要求，并在现场对开裂材料进行了便携式光谱检测，材质合格。通过对设计、施工、材料等方面的初步调查，无法确定氢气管道开裂的具体原因，因此需要进一步对开裂管段的材质进行测试和分析，主要有宏观检查、化学成分分析、厚度检测、机械性能、金相检验、电镜观察及能谱分析等，找出氢气管道的性能劣化和组织变化情况，便于详细分析开裂原因，为后续制定有效的预防措施提供技术支撑。

1 宏观检查

为了更全面、客观地检查管道情况，对开裂部位近端和远端材料均取样观察。从开口位置及附近外观形貌看，开裂两端耦合性差，开口位置存在明显脱皮，附近有明显宏观塑性变形特征，主要表现为向外凸起翘曲，7# 位置存在较厚柱状灰黑色覆盖物。详见图2 和图3。

图2 开裂管子整体外观

图3 管子局部外观

在体视显微镜下分别对1# 、4# 断口（人为断口）和2# 、3# 及其匹配断口进行观察和厚度测量，各断口上均可见黑色光滑的覆盖物及红色铁锈。其中2# 、3# 试样主断口厚度均在5mm 以上，但其匹配断口厚度较小，只有3mm，存在明显宏观塑性变形。详见图4。

图4 2# 断口宏观形貌

2 化学成分分析

按照GB9948- 2013《石油裂化用无缝钢管》标准要求取样，采用直读光谱仪进行化学成分分析，结果符合标准要求。详见表1。

表1 化学成分分析结果 wt%

3 厚度检测

开口处因撕裂变形，为了有效检测管道材料厚度，分别对1# 、2# 、3# 和4# 开裂部位远端，选取有代表性部位进行厚度检测，结果满足管道规格厚度6mm 要求。详见表2。

表2 开裂部位远端厚度检测结果 mm

4 机械性能检测

分别在开裂部位近端和远端取样，进行纵向拉伸和冲击试验，试验结果表明，近端和远端试样各项机械性能指标均符合GB9948- 2013《石油裂化用无缝钢管》要求，近端由于距离高温区近，性能略低于远端。见表3。

表3 机械性能检测结果

5 金相检测

对1# 、2# 、3# 、4# 断口分别进行抛光金相检测和4%硝酸酒精腐蚀金相检测。

1# 断口截面抛光金相显示，组织内部存在较多不连续弯曲的微裂纹，靠近断口局部已脱落。4%硝酸酒精腐蚀后组织微裂纹均沿晶界开裂，显微组织为网状铁素体、晶界生长出的羽毛状相互平行的铁素体、珠光体，该组织与20# 钢的魏氏组织特征相符，是材料从高温快速冷却时形成。

2# 断口截面外侧抛光态金相组织显示，断口表面及背面均存在厚度不均的灰色层，断口面的较薄，为黑白相间组织，背面的灰色层较厚，几乎无白色组织，该灰色层中均可见圆形空洞，组织疏松，此外背面基体一定深度内还可见大量黑色氧化物。内侧抛光态金相显示，断口面及盆面均发现灰色层，断口面内部可见孔洞，盆面存在白色疏松层，为常温腐蚀层。4%硝酸酒精腐蚀后，外侧的断口及背面为灰色层，为基体烧蚀形成，白色点状组织为基体残留，灰色为烧蚀产物，基体近表面为粗大的为魏氏体组织，晶粒和铁素体特别粗大。内侧断口及盆面无烧蚀层，晶粒和铁素体相对较小，为相对较细的魏氏体组织。见图5、图6。

图5 2# 断口截面外侧抛光态宏观、微观形貌

图6 2# 断口截面外侧4%硝酸酒精腐蚀后显微形貌

3# 断口截面外侧抛光态金相组织显示，断口表面及背面存在灰色层，断口面的灰色层较薄，背面的灰色层较厚，可见空洞、疏松状组织，背面基体还可见大量黑色氧化物。内侧抛光态金相显示，断口面及盆面均存在灰色层，断口面内部有孔洞，盆面存在白色疏松层。4%硝酸酒精腐蚀后，外侧的断口及背面为灰色层，属于基体烧蚀形成的组织，基体近表面为粗大的为魏氏体组织，晶粒和铁素体粗大。内侧断口及盆面无烧蚀层，晶粒和铁素体较小，为相对较细的魏氏体组织。通过抛光态和腐蚀态金相检测对比，3# 断口金相形貌特征与2# 相似，外侧表面同样存在烧蚀现象，但烧蚀程度没2# 严重，近表面可见粗大魏氏组织，内侧魏氏组织较细。见图7、图8。

图7 3# 断口截面外侧抛光态宏观、微观形貌

图8 3# 断口截面外侧4%硝酸酒精腐蚀后显微形貌

对4# 断口截面进行抛光态及腐蚀态金相组织检测对比，发现4# 断口截面抛光态及腐蚀态金相组织形貌特征与3# 相似，外侧表面同样存在烧蚀现象，但烧蚀程度没3# 严重，近表面可见粗大魏氏组织，内侧魏氏组织较细。

对5# 、6# 试样的金相磨面经4%硝酸酒精腐蚀后检测，金相组织为等轴铁素体+ 珠光体，属正常组织，但相比而言，6# 试样组织较细，与6# 试样远离高温热源有关。

6 非金属夹杂物检测

在金相检测的同时，对金属中非金属夹杂物进行测定。将显微观察到的视场与GB/ T 10561- 2005《钢中非金属夹杂物含量的测定－标准评级图显微检验法》标准图谱进行比对，符合标准中规定的D 类“球状氧化物类，不变形，带角或圆形的，形态比小（一般小于3），黑色或者带蓝色的，无规则分布的颗粒”中2 级，未发现粗细夹杂物。满足标准GB9948- 2013《石油裂化用无缝钢管》中规定的：钢管的非金属夹杂物按GB/ T 10561- 2005 中的A法评级，A、B、C、D 各类夹杂物（粗系和细系）级别应分别不大于2.5 级，A、B、C、D 各类夹杂物的细系级别总数与粗细级别总数应各不大于6.5 级的要求。

7 电镜观察及能谱分析

对1# 、4# 进行电镜观察，断口表面可见高温氧化烧蚀特征，断口局部可见沿晶特征的断口形貌。1# 、4# 为人为断口，断口呈沿晶+ 韧窝的混合型断口。详见图9、图10。

图9 1# 断口宏观、微观形貌

图10 4# 断口宏观、微观形貌

对2# 、3# 断口进行电镜观察（图11、图12），断口表面均可见高温氧化烧蚀特征。3# 断口表面由于锈蚀产物及覆盖物过多，未发现明显沿晶特征。4# 断口局部可见沿晶特征的断口形貌。

图11 2# 断口宏观、微观形貌

图12 3# 断口宏观、微观形貌

对2# 、3# 断口表面及背面覆盖物进行能谱分析，结果表明，除含有较多Fe、O 元素外，还存在Zn、Mn、Si 等元素。见表4。

表4 能谱分析结果

8 综合分析

通过宏观检查结果表明，管子开裂部位外表面大部分覆盖物已脱落，但断口及其外表面局部仍可见残留黑色光滑覆盖物。管子远端试样的化学成分、厚度检测、机械性能、金相组织、非金属夹杂物等分析结果均符合GB9948- 2013《石油裂化用无缝钢管》要求，距离管子开裂处较近位置力学性能虽然相对远端有所降低，但仍符合标准要求，说明管道原材料合格。通过断口金相组织表明，断口外侧表面及背面存在黑白相间的基体烧蚀产物，近表面则为粗大的魏氏体组织，而断口内侧未发现基体烧蚀特征，且魏氏体组织相对细小。通过断口电镜观察及能谱分析表明，断口局部可见沿晶断裂特征，表面覆盖物主要为铁氧化物。根据以上特征可判断，该管的开裂性质为高温烧蚀。

从断口截面由外到内金相组织的不同特征推断，外表面首先受到高温作用，表面严重氧化脱碳，随着高温时间持续，基体开始出现烧蚀，近表面晶界开始氧化，次表面由于受到高温作用晶粒开始急速长大，中心组织及内侧受到的温度也较高，在后续冷却过程中均形成了魏氏组织，由于晶界弱化的原因，断口呈沿晶特征。

结合技术分析结果，对现场进一步检查发现，氢气管道开裂部位附近设备存在法兰连接，管道开裂部位朝向设备，且此部位过火较为严重。据此推断，设备法兰密封局部泄漏产生明火，烘烤临近氢气管道致使局部强度下降而破裂。对设备法兰密封进行检查测试，存在漏点。

9 结论和整改预防措施

针对本次事故，从设计、工艺操作、施工、材料各方面进行了调查，通过对管道开裂部位的全面检测技术分析和现场检查，得出了氢气管道开裂原因：设备法兰密封存在漏点，介质泄漏产生明火，烘烤临近氢气管道，管子外表面由于受到高温作用，表面出现烧蚀，基体内部晶界开始氧化、晶粒急剧长大，组织进一步恶化，致使材料强度不足，最终发生沿晶开裂，导致管子破裂，氢气介质泄漏导致火势扩大。

根据分析原因，制定了整改预防措施。对氢气管道进行更换，对临近仪表、结构进行修复，对设备法兰等临近其他密封进行全方位检查、紧固和泄漏性检测，并加强该区域的运行监控和监测，确保密封无泄漏。