1、變壓吸附器開裂原因分析及失效預防艾志斌，陳學東，李蓉蓉，潘建華，范志超( 合肥通用機械研究院 國家壓力容器與管道工程技術研究中心，安徽 合肥230031)摘 要: 變壓吸附器( PSA) 是制氫裝置中的關鍵設備，在典型的疲勞工況下操作，設計使用壽命一般為 10 15 年。近年來，中國多家石化和煤化工企業(yè)的 PSA 氫提純吸附器在僅投用 3 4 年、遠未達 到設計疲勞壽命的情況下即發(fā)生了筒體焊縫和母材大面積開裂甚至泄漏現象，造成裝置非方案停 車并嚴重影響裝置運行平安。根據對典型開裂案例的失效分析情況，結合對多家石化企業(yè)百余臺 吸附器的設計和使用情況的調研結果，從疲勞設計、制造、使用、檢驗等環(huán)節(jié)對

2、造成吸附器開裂的主 要影響因素進行了深入分析，從設計、制造、操作和在役檢驗等方面提出了防止吸附器過早發(fā)生疲 勞破壞的改良措施，為保障設備的長周期平安運行發(fā)揮了重要作用。關鍵詞: 變壓吸附器; 開裂; 失效分析; 疲勞; 制造缺陷中圖分類號: TH49; TQ116 2文獻標識碼: B文章編號: 1001 4837( 2021) 04 0061 06doi: 10 3969 / j issn 1001 4837 2021 04 011Analysis on Cracking Cause of Pressure Swing AdsorberAI Zhi bin，CHEN Xue dong，LI o

3、ng rong，PAN Jian hua，FAN Zhi chao( National Engineering Technology esearch Center on PVP Safety，Hefei General Machinery esearch In- stitute，Hefei 230031，China)Abstract: Pressure swing adsorber ( PSA) is a key equipment in the hydrogen making plant and operatesunder typical fatigue operating conditio

4、ns，its design service life is typically 10 15 years In recent years， PSA adsorbers for hydrogen purification in many Chinese petrochemical and coal chemical enterprises ex- perienced the phenomenon of large area cracking and even leakage of shell welds and base metal just af- ter they have been put

5、into service for 3 4 years，which is far from achieving the design fatigue life，and this caused unscheduled shutdown of the plants and seriously influenced operating safety of the plants Ac- cording to the failure analysis made by the authors on typical cracking cases and in combination with the resu

6、lts of investigation on the design and operation condition of nearly 100 adsorbers in tens of Chinese petrochemical enterprises，a in depth analysis is carried out on the main influential factors which cause adsorber cracking from the links of fatigue design，manufacture，operation，inspection，etc ，and

7、improve- ment measures for avoiding premature cracking，which play an important role in guaranteeing long cycle safe operation of the equipmentKey words: pressure swing adsorber; cracking; failure analysis; fatigue; manufacture defect·61·安 全 分 析CPVT變壓吸附器開裂原因分析及失效預防Vol30. No4 2021焊縫金屬靠近內坡口側的

8、焊道上。0 引言吸附器是制氫裝置變壓吸附技術中的關鍵設備，長期承受臨氫環(huán)境下的疲勞載荷作用。近年 來，中國石化及煤化工行業(yè)制氫裝置發(fā)生多起變 壓吸附器開裂失效事故，如大連某石化制氫吸附 器因焊縫開裂發(fā)生泄漏，內蒙古某煤制油分公司 數臺制氫吸附器在較短的時間間隔內相繼發(fā)生開 裂泄漏( 開裂部位包括筒體母材和外壁保溫支撐 圈缺口處 角 焊 縫 等) ，天津某石化公司 多 臺 吸 附 器使用一個周期( 3 年) 后，全面檢驗時在筒體環(huán) 焊縫上發(fā)現多起超標缺陷。上述開裂案例具有以 下幾個共同特點:( 1) 制造單位均是國內規(guī)模較小的地方壓力 容器制造企業(yè);( 2) 均在投用 3 5 內即發(fā)生開裂;(

9、3) 開裂部位并不是設計中重點考慮的應力 集中部位，而是在筒體的焊縫或母材上。根據對典型開裂案例的失效分析結果，結合 對中國多家石化及煤化工企業(yè)百余臺吸附器的設 計和使用情況的調研結果，從疲勞設計、制造、使 用、檢驗等環(huán)節(jié)對造成吸附器開裂的主要影響因 素進行了深入分析，提出了防止吸附器過早發(fā)生 疲勞破壞的改良措施。圖 1 開裂部位示意表 1 氫提濃吸附器主要技術參數1 典型失效分析案例12021 年 6 月，某石化分公司連續(xù)重整聯合裝置一臺氫提濃( PSA) 吸附器發(fā)生泄漏現象，泄漏 部位位于塔的筒體上部的環(huán)焊縫上 ( 見圖 1 ) ，裂 紋方向為軸向。該設備 2021 年 6 月投入運行至

10、發(fā)生泄漏時累計運行時間約 3 5 年。設備主要技術參數如表 1 所示。1 1 裂紋宏觀形貌開裂部位外壁裂紋長度約 410 mm，內壁裂紋 長度約 450 mm，裂紋中心處有約 33 mm × 19 mm 的凹坑( 見圖 2) 。裂紋附近焊縫金屬的最小厚度40 65 mm，筒 體 厚 度 44 70 mm。根 據 裂 紋 內 壁 長度大于外壁長度的現象可以推斷裂紋是由內向 外擴展的。另，除已穿透裂紋外，在其附近的環(huán)焊 縫上還發(fā)現了 5 條 長 度 為 15 30 mm 的 埋 藏 橫 向裂紋，根據裂紋的埋藏深度判斷，裂紋均位于環(huán)1 2材質理化分析針對開裂環(huán)焊縫及相關筒體母材進行了化學成

11、分分析、力學性能試驗。分析結果說明，焊縫金屬和母材的化學成分及力學性能滿足相關標準的 要求( 見表 2 4) 。1 3金相分析1 3 1 焊接接頭金相組織開裂環(huán)焊縫經金相制樣后，其焊接接頭的宏 觀形貌及典型分析部位金相組織 見 圖 3，可 以 看出，該焊縫的焊接順序為先焊外坡口、后 焊 內 坡口，焊接接頭不同區(qū)域金相組織正常，未發(fā)現有淬 硬組織存在。·62·參數數值設計壓力 / MPa工作壓力 / MPa操作壓力 / MPa設計溫度 / 最高工作溫度 / 規(guī)格 / mm介質 材質 焊后熱處理工藝2 972 70 03 2 6 之間交變， 年交變次數為 35000 次7050

12、3800 × 13286 × 42重整尾氣 + 氫氣16Mn( 600 640) × 2 5 h第 30 卷第 4 期壓力容器總第 245 期( a)外壁裂紋( b)內壁裂紋圖 2 開裂部位裂紋宏觀形貌表 2化學成分分析結果%表 3焊接接頭拉伸試驗結果1 3 2裂紋金相( 1) 泄漏裂紋尖端穿透裂紋內壁下尖端宏觀 及微觀形貌見圖 4。分析說明，裂紋尖主要以穿晶為主，細直，無分 叉，這些主要特征與疲勞裂紋相符。( 2) 埋藏裂紋圖 5 示出超聲波檢測發(fā)現的 2 條埋藏裂紋宏 觀與微觀形貌，裂紋呈明顯的弧線和彎曲狀，并表 現出沿晶擴展特征。電子金相分析說明裂紋有小 分

13、叉，裂紋縫隙中有氧化物類夾雜物存在 ( 見 圖6) 。eLm表 4 沖擊試驗1 4斷口分析1 4 1 泄漏裂紋斷口將泄漏裂紋翻開后，斷口形貌見圖 7，在啟裂 部位存在尺寸為 17 mm × 12 mm 的裂紋類原始缺 陷，該裂紋原為靠近內外表的埋藏缺陷，與內外表 約呈 45°夾角。除原始埋藏缺陷斷面外的其他斷 口區(qū)域斷面較平整，并可見疲勞斷口特有的疲勞·63·缺口位置KV2/ J平均值/ J試驗溫度/ 備注焊縫金屬熱影響區(qū)109，110，102139，131接接頭焊接接頭母材( 筒體 1)174，171，168195，195，2

14、0017119700橫向取樣縱向取樣母材( 筒體 2)158，181，182183，196向取樣縱向取樣16Mn( GB 665496)310分析部位屈服強度 / MPa抗拉強度 / MPa延伸率A / %斷裂部位焊接接頭520515母材 母材16Mn( GB 665496)305470 60021分析部位CSiMnPSCrNiMoCu筒體母材 1筒體母材 216Mn( GB665496)0 1600 1600 200 3290 2950 20 0 551 431 501 20 1 600 0150 0190 030 00500 00580 020 0140 0250

15、 00820 00530 00340 0053環(huán)焊縫外坡口側 內坡口側0 0720 0590 3070 4881 581 300 0290 0160 0120 00810 0200 0250 00400 00120 00330 00380 0420 016焊絲 E501T 1焊絲 H10Mn20 180 120 900 071 751 50 1 900 200 350 030 350 200 200 500 300 300 350 20CPVT變壓吸附器開裂原因分析及失效預防Vol30. No4 2021紋理。整個斷裂面除啟裂部位外均具有典型的疲勞斷口宏觀特征。·64·第

16、30 卷第 4 期壓力容器總第 245 期原始缺陷斷面微觀斷口形貌 見 圖 8，斷 口 呈自由凝固面和局部韌窩斷裂面混合形貌，裂紋擴 展斷口微觀形貌見圖 9，10，斷口上可見明顯的疲 勞輝紋。12。該埋藏裂紋在焊縫中的部位、裂紋的方向及斷口宏觀和微觀形貌與泄漏裂紋斷口上的原始缺 陷非常相似。1 4 2埋藏裂紋斷口將圖 5 中兩條相同性質埋藏裂紋中的一條打開后的斷口宏觀形貌見圖 11，斷口微觀形貌見圖·65·CPVT變壓吸附器開裂原因分析及失效預防Vol30. No4 2021成形和熔深較淺等特點以及調查所了解到情況來看，失效吸附器環(huán)焊縫采用 X 型 坡 口，內 外 坡 口

17、均采用了藥芯焊絲 CO2 氣保焊，焊接材料牌號為 E501T 1，焊接順序為先 焊 外 壁 ( 6 道) ，后 焊 內 壁( 6 7 道) 。調查發(fā)現，由該廠同一批制造的另 一臺規(guī)格完全相同的吸附器( 位號: C2101B) 進行 T 檢測時，在與 C2101開裂部位相同的焊縫上 也檢測出多條埋藏裂紋，特別是在筒體與上封頭 連接焊縫上檢出了超過 13 條埋藏裂紋。由此可 見，制造單位在制造該批吸附器時，采用的藥芯焊 絲氣保焊工藝存在較高的產生裂紋的概率。藥芯焊絲具有: 飛濺小、熔滴過渡均勻、焊縫 成形好、可用較大焊接電流進行全位置焊接和生 產效率高( 生產率比焊條電弧焊高約 3 5 倍) 等

18、優(yōu)點2，近年來越來越多地被容器制造廠采用， 特別是一些中小型的制造廠將采用藥芯焊絲提高 焊接生產效率作為降低制造本錢的一個重要競爭 手段。但是從一些容器制造廠藥芯焊絲的使用情 況來看，由于藥芯焊絲存在外表容易銹蝕，粉劑易 吸潮等缺點，一旦受潮和銹蝕，將導致焊縫金屬中 的氫、氧及低熔點污染元素的含量較高，產生焊接 缺陷( 裂紋、氣 孔、夾 渣 等) 的 概 率 較 高。本 失 效 吸附器在 開 裂 部位附近同一條環(huán)焊縫上約 800 mm 范圍內 即 檢 出 5 條 15 30 mm 長 埋 藏 裂 紋( 原始焊接熱裂紋) ，足以說明制造廠選用的焊接 工藝不當，同時在制造質量控制上存在明顯缺陷。2

19、 2 原始制造缺陷開裂的影響金屬結構在疲勞載荷下的壽命包括無缺陷時 疲勞萌生壽命和裂紋萌生后的疲勞擴展壽命，一 般萌生壽命占總壽命的 90% ，疲勞裂紋擴展壽命 很短。從上述失效案例分析結果可知，焊縫中存 在原始制造缺陷 ( 熱裂紋) 是導致該吸附器僅運 行 3 5 年就發(fā)生筒體開裂的主要原因。吸附器設 計的疲勞壽命是基于材料無缺陷狀態(tài)下的 SN 曲線，在無缺陷的情況下疲勞裂紋的萌生壽命很 長，但一旦有原始裂紋存在，裂紋不需要萌生，在 疲勞載荷作用下就會發(fā)生亞臨界擴展。當原始裂 紋尺寸開展到某一臨界條件時，裂紋就會發(fā)生失 穩(wěn)。由于越過了疲勞裂紋的萌生階段，因此顯著 地縮短了設備的疲勞壽命。本案

20、例中發(fā)生泄漏的 裂紋斷面的啟裂部位存在明顯的原始焊接裂紋， 證明了原始焊接缺陷成為了疲勞裂紋源。( 下轉第 60 頁)圖 10 裂紋擴展區(qū)微觀斷口圖 11 埋藏裂紋配對斷口宏觀形貌圖 12 埋藏裂紋斷口微觀形貌根據泄漏裂紋斷口上原始缺陷具有自由凝固面的柱狀晶形貌特征以及光學和電子金相的沿晶 和裂紋縫隙中存在氧化物夾渣等特點綜合分析認 為，泄漏裂紋斷口上啟裂部位原始焊接缺陷和 UT 檢測發(fā)現的焊縫中的埋藏裂紋性質相同，均屬焊 接熱裂紋。1 5 分析結論吸附器開裂的原因是環(huán)焊縫的內坡口焊道上 存在埋藏原始焊接熱裂紋，設備運行過程中裂紋 在環(huán)向交變應力的作用下沿軸向發(fā)生疲勞擴展， 最終穿透筒體壁厚引

21、起泄漏。2 討論2 1裂紋產生的原因從開裂焊縫焊接接頭的低倍金相形貌的焊道·66·CPVTGB 502352021?工業(yè)金屬管道工程施工標準?疑難點解讀Vol30. No4 2021參考文獻:1234GB 502352021，工業(yè)金屬管道工程施工標準SGB 503162000，工業(yè)金屬管道設計標準SGB / T 208012006，壓力管道標準 工業(yè)管道S TSG D00012021，壓 力 管道平安技術監(jiān)察規(guī) 程工業(yè)管道SGB 501842021，工業(yè)金屬管道工程施工質量驗收 標準SGB / T 10482005，管道元件 PN( 公稱壓力) 的定 義和選用 SGB 71

22、32021，鍋爐和壓力容器用鋼板SGB / T 10472005，管道元件 DN( 公稱尺寸) 的定 義和選用S李行健 現代漢語標準詞典M 北京: 外語教學與 研究出版社，2004GB / T 122242005，鋼制閥門 一般要求S GB / T 91242000，鋼制管法蘭 技術條件S GB / T 264802021，閥門的檢驗和試驗S GB / T 91242021，鋼制管法蘭 技術條件S胡 憶 溈 帶壓密封工程概 論J 潤 滑 與 密 封，2006，( 2) : 79 8256789圖 7 三通部位預保夾具結構示意10111213147結語GB 502352021?工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范?自公布 實 施 以 來，根據許多施工單 位 的 反 饋 意見，綜合起來，主要集中在公稱壓力、公稱尺寸、 試驗壓力、預保帶壓密封夾具等問題上，文中分別 對上述疑難點進行了較細致地解讀，特別是對本 次修訂中增設的預保帶壓密封