一起在用工业管道鼓包失效分析

小间距仅约 1mm，如图 2-2，均位于最明显内壁鼓包处的中心区域。内外壁其他部位未发现 任何表面或近表面的裂纹类缺陷。
纵向 向
图 2-2 内壁发现的表面裂纹尺寸比例图 2.5 取样及观察
取样采用“Z”字形折线切割工艺，切割路线及取样位置见图 2-3。加工后的母材断面可 以明显观察到多处台阶状开裂，图 2-4 为其中一处典型开裂情况；鼓包 M 处割出两个直径为 100mm 的半环和中心处直径为 30mm 的小块圆形区域（裂纹所在位置），如图 2-5 和图 2-6， 半环边缘部位内外壁仍有部分粘连在一起，而中心圆在加工周线后自行分开成两片，即缺陷处 内外壁已经完全剥离，无任何粘连，如图 2-8，这两片作为断口形貌分析的试样。可见最大开 裂间隙约为 2mm，见图 3-7。
纹走向也并非一条直线，而是有许多垂直于轧制方向的微小变化，使裂纹呈现“台阶状”的
形态，形状也很简单，无树枝状或网状结构，绝大部分裂纹几乎没有分岔。部分裂纹的两侧 及裂纹尖端部位可以地观察到材料成份不均匀，形态类似偏析。开裂基本呈明显的沿晶开裂 特征，尤其以平行于流线方向的裂纹段最为典型；而垂直于流线方向的裂纹段可以观察到穿 晶开裂的情况。
材料的残余应力水平应该不高，并且可以根据内压载荷计算出鼓包位置的径向应力约为
16.84MPa，远低于服役温度下的许用应力 128MPa。同时应注意到管段的焊接接头区域几乎 没有发现任何开裂，因此基本可以排除 SSCC 和 SOHIC 的可能，而管段中观察到的台阶状开 裂正是 HIC 的典型特征，因此可以断定该管段的母材开裂为 HIC，其发生机理如下：
从图 3-12 断口形貌图中选取的 3 处位置进行元素分析，根据能谱图，可以图中 1#位的 Fe 元素含量很低，而 Mn 元素含量较高，S 元素的含量非常高；2#位的 Fe 元素含量非常高， 而 Mn 元素含量极低，S 元素的含量比较高，还发现了一定量 O 元素的存在；3#位的 Fe 元素 含量非常高，而 Mn 元素含量较高，S 元素的含量也非常高。能谱分析表明断口当前状态下 S 元素含量一般均比较高，部位位置 Mn 含量高而 Fe 含量低。究其原因，一种可能是工艺介质 对断口形成腐蚀，S 元素被沉淀而 Fe 元素损失，导致 Mn 和 S 相对偏高而 Fe 偏低；另一种可 能是在原材料冶炼过程中加入 Mn 元素作为脱氧剂和脱硫剂，反应中产生 MnS 夹杂。MnS 在 钢板轧制时形成条状夹杂，由于膨胀系数不同，条状夹杂与钢基体界面间就产生了间隙。界面 或间隙均易吸纳氢，成为氢的陷阱，氢富集后形成局部高氢压，致使微裂纹萌生和扩展，最终 形成开裂。类似地，部分区域测量到的 O 元素则可能是钢板轧制时钢水脱氧的反应生成物， 也可能时工艺物料从裂纹渗入反应的结果。
准最低要求低近一个数量级。室温单轴拉伸性能试验结果见表 3-2，对比材料标准要求发现
正常母材的拉伸性能完全符合标准要求，屈服极限和断后伸长率均比标准高出许多，断后的
拉伸试样见图 3-1。材料的抗冲击性能试样为标准夏比 V 形缺口横向试样，加工时均避开了
缺陷位置，室温下冲击性能试验结果见表 3-3；因材料标准并无强制要求，作为参考，表 3-3
列出了我国材料牌号中与该管段母材比较接近的 20R 和 16MnR 的标准要求作为对比，考虑
到该石化公司所在地区属于亚热带气候，故管段不在低温下服役，取常温冲击功的要求值。
结果表明室温下冲击功均达到了我国近似材料牌号的要求，冲击试验断后的试样见图 3-2。
表 3-1 母材化学成份分析结果表
分析元素
C
图 3-10 扫描电镜下的断口观察（二），500× 图 3-11 扫描电镜下的断口观察，1500×
图 3-12 鼓包位置断口电镜扫描图，700×
图 3-13 图 3-12 中 1#位元素能谱分析
图 3-14 图 3-12 中 2#位元素能谱分析 4 鼓包原因分析
图 3-15 图 3-12 中 3#位元素能谱分析
管段的硬度测量位置主要选择焊接接头的焊缝、热影响区和母材，以及鼓包区域的母材内 表面，结果表明母材的硬度值在 HB103～HB112 之间，热影响区硬度值在 HB133～HB138 之 间，焊缝硬度值在 HB134～HB137 之间，均无异常。 2.4 表面无损检测
对管段内、外壁进行湿荧光磁粉检测，采用交流磁扼和喷雾式荧光磁悬液，发现内壁存 在两处表面裂纹，一条裂纹长度约 25mm，大体与环向（材料轧制方向）平行，裂纹一端与 环向约成 45°夹角，无明显分岔；另一裂纹长约 3mm，亦与环向平行。两条裂纹之间的最
Z，％
20
515
295
30.5
57.0
2
φ10
20
515
300
31.0
57.5
3
φ10
20
515
295
28.5
58.0
ASTM 标准要求
450～585 ≥240
≥23
/
表 3-3 标准夏比 V 形缺口冲击试验结果
试样编号 1
试样规格 mm×mm×mm
55×10×10
试验温度 t，℃
20
冲击吸收功 AKV，J
图 2-3 取样及加工位置示意图
图 2-4 一处母材断面开裂
图 2-5 鼓包部位取样
图 2-6 鼓包部位母材断面示意图
图 2-7 鼓包部位中心取样
图 2-8 鼓包部位母材断面开裂尺寸比例
3 分析及试验
3.1 理化性能试验及分析
管段母材化学成份分析结果见表 3-1，完全符合标准的要求，尤其是 S 元素的含量比标
该管段操作温度为 49℃，管内介质为馏份油、氢气、硫化氢、氨、水、瓦斯等混合物， 即管道内壁在典型的湿硫化氢环境下服役，将有如下反应过程：
Fe＋H2S（湿）→FeS +2H 该反应可能导致母材发生三种不同类型的失效：硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）、湿硫化 氢环境下应力导向氢致开裂(SOHIC)、氢致开裂（HIC）。 该管段安装时按设计要求进行了焊后热处理，且硬度检测的结果也表明材料硬度值不高，
电镜扫描的断口形貌图详见图 3-10～图 3-12，图 3-10 可以观察到母材轧制的流线特征， 图 3-11 是 1500 倍下的断口形貌，可以观察到晶界特征，晶粒基本呈条块状，由于鼓包处内 表面发现裂纹，工艺介质可能经裂纹已经渗入鼓包内，腐蚀断口表面，使断口表面失去断裂 时初始形貌，因此根据现在的断口形貌要判断裂纹是沿晶还是穿晶断裂非常困难。
并分析其形成原因。该管段相关参数见表 1-1。
表 1-1 管段相关资料及主要参数
投用日期 主体材质
1983.11 ASTM SA 515 GR.B65
Baidu Nhomakorabea结构特点 主要规格
钢板卷管，PWHT，RT100% φ406（16〃）×26mm
设计压力
17.7 MPa
设计温度
60℃
操作压力
16.84 MPa
操作温度
(1 China special equipment inspection and research institute, Beijing 100013,China 2)
ABSTRACT：By way of failure analysis the research was made for the blister on the outlet pipe of air cooler of residuum hydrocrack plant in service, the results shows that hydrogen induced cracking(HIC) happened within the wall of the pipe because of wet H2S environments and then blister came into being on the internal surface of the pipe.
`图 3-3 焊接接头母材金相，700×
图 3-4 焊接接头热影响区金相，700×
图 3-5 焊接接头焊缝金相，700×
图 3-6 1＃试样裂纹尖端金相图（一），50×
图 3-7 1＃试样裂纹尖端金相图（二），200× 图 3-8 8＃试样裂纹尖端金相图（一），50×
图 3-9 8＃试样裂纹尖端金相图（二），200× 3.3 扫描电镜观察
一起在用压力管道鼓包失效分析
史进，贾国栋，王辉，姜海一，谢国山，杜晨阳，魏文涛，陈彦泽 中国特种设备检测研究院，北京，100013
摘要：通过渣油加氢反应产物空冷器出口管道在使用过程中发生的鼓包失效进行分析，对鼓包 原因进行试验研究。试验研究结果表明：湿硫化氢环境下该管道发生氢致开裂（HIC），并在 管道内壁形成鼓包。 关键词：湿硫化氢 管道 鼓包 氢致开裂
KEYWORDS：Wet H2S environment; Pipe; Blister; HIC
1 概况
2007 年 5 月某石化公司对其所属加氢裂化装置 A101 空冷器出口管道进行检验，发现该管
道部分管段有夹层征象，截取出该部分一段长度约为 400mm 的管段，检查发现内壁有明显的
鼓包，受该石化公司委托，笔者对该管段进行检验检测和取样试验，以确定鼓包的形状及特点，
Mn
P
S
Si
实测值，％
0.27
0.84
0.020 0.0079
0.26
ASTM 标准要求，％ ≤0.31 ≤0.98（成品） 0.035
0.035 0.13～0.45
试样编号 1
试样规格 mm φ10
表 3-2 室温单轴拉伸性能试验结果
试验温度 强度极限 屈服极限 断后伸长率 断面收缩率
t，℃ Rm，MPa ReL，MPa A，％
钢材在接触湿硫化氢的环境下，由于毒化剂（H2S、S2-）的作用，阴极反应生产的 H 原子 不易形成氢分子逸出，富集在钢材表面。H 原子体积非常小，在浓度梯度的推动下向钢材内 部扩散，在钢材内部材料不连续处，如晶界、位错、夹杂物、裂纹、孔洞等（这些位置通常 被称作“氢陷阱”），H 原子易发生集聚，并结合成为氢气分子，氢气分子的体积大的多，无 法再向钢材内部渗透，只能停留下来，随着聚集的氢分子越来越多，形成很高的气相压力， 致使应力水平超过材料的承受极限，引发裂纹的萌生和扩展。因轧制钢板的横向韧性比纵向 韧性低，故裂纹扩展时也多与轧制方向平行，只有在一些缺陷互相接近的地方由于局部应力 过高会使裂纹垂直于轧制方向扩展，使原本相邻的缺陷连接成为一体，这样的连接形成更大 的氢陷阱，导致更多的 H 原子聚集。钢材轧制过程中 MnS 等硫化物夹杂被拉长变形，这类氢 陷阱一般体积或者面积较大，H 原子聚集也相对容易一些，发生开裂或断裂的几率比较高。
45
2
55×10×10
20
35
3
55×10×10
20
41
ASTM 标准要求
由用户决定
我国类似材料 20R 的标准要求
根据需方要求，常温冲击功可按 34J 供货。
我国类似材料 16MnR 的标准要求
根据需方要求，常温冲击功可按 34J 供货。
3.2 金相分析
图 3-3～图 3-5 给出了焊接接头的金相组织，放大倍率为 700×。分析发现母材、热影响 区以及焊缝的金相组织均正常。笔者共对 9 处有开裂的部位进行了金相观察，发现开裂的形 貌均较相似或相同，限于篇幅，仅列出最为典型的 1#位置和 8#位置加以分析说明。1#试样位 于图 2-3 中焊接接头旁边的母材上，8#试样位于图 2-3 中化学成份取样位置旁边的母材上。 分析发现几乎所有的开裂基本走向均与钢板轧制的流线方向一致，有少数成一定夹角，但裂
49℃
腐蚀裕量
1.0 mm
耐压试验
26.55 MPa
介质
馏份油、氢气、硫化氢、氨、水、瓦斯等混合物
2 检验检测 2.1 宏观检查和测量
宏观检查发现管段内外壁腐蚀情况均较轻微，无明显的腐蚀坑。外壁无明显变形，在管段 内壁可以发现多处较为明显的鼓包。从管道外壁进行超声波直探头扫查，发现多处缺陷，其中 面积较大的约有 8 处，焊接接头位置没有面积较大的缺陷，详见图 2-1 中的 A～H，其中 D 处 面积最大，长度方向最大值约 300mm，宽度也超过 250mm，该区域的中心处恰巧与内侧最明 显的鼓包位置对应，详见图 2-1 中的 M 位置（虚线范围）。
Failure analysis for the Blister on a Pressure Pipe In-service
Jin Shi1, Guo-dong Jia1, Hui Wang1, Hai-yi Jiang1, Guo-shan Xie1, Chenyang Du1, Wen-tao Wei1, Yan-ze Chen1
图 2-1 主要缺陷分布示意图（展开图） 2.2 壁厚测量
由于管段内外壁均无明显的腐蚀坑或局部腐蚀痕迹，故在管段母材上按阵列布点测量的 方式用超声波探伤仪直探头测量壁厚，按照等距排列的方式测量 12（列）×5（行）总共 60 点位的壁厚值。测厚结果显示在如图 2-1 所示的 8 处缺陷区间外侧壁厚测量值在 17.8～ 18.8mm 之间，内侧壁厚测量值在 6.8～7.4 之间，具有夹层特征，其余部位有效壁厚在 25.2～ 26.1mm 之间。 2.3 硬度测量