变压吸附器开裂原因分析及失效预防

1、变压吸附器开裂原因分析及失效预防艾志斌，陈学东，李蓉蓉，潘建华，范志超( 合肥通用机械研究院 国家压力容器与管道工程技术研究中心，安徽 合肥230031)摘 要: 变压吸附器( PSA) 是制氢装置中的关键设备，在典型的疲劳工况下操作，设计使用寿命一般为 10 15 年。近年来，中国多家石化和煤化工企业的 PSA 氢提纯吸附器在仅投用 3 4 年、远未达 到设计疲劳寿命的情况下即发生了筒体焊缝和母材大面积开裂甚至泄漏现象，造成装置非方案停 车并严重影响装置运行平安。根据对典型开裂案例的失效分析情况，结合对多家石化企业百余台 吸附器的设计和使用情况的调研结果，从疲劳设计、制造、使用、检验等环节对

2、造成吸附器开裂的主 要影响因素进行了深入分析，从设计、制造、操作和在役检验等方面提出了防止吸附器过早发生疲 劳破坏的改良措施，为保障设备的长周期平安运行发挥了重要作用。关键词: 变压吸附器; 开裂; 失效分析; 疲劳; 制造缺陷中图分类号: TH49; TQ116 2文献标识码: B文章编号: 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变压吸附器开裂原因分析及失效预防Vol30. No4 2021焊缝金属靠近内坡口侧的

8、焊道上。0 引言吸附器是制氢装置变压吸附技术中的关键设备，长期承受临氢环境下的疲劳载荷作用。近年 来，中国石化及煤化工行业制氢装置发生多起变 压吸附器开裂失效事故，如大连某石化制氢吸附 器因焊缝开裂发生泄漏，内蒙古某煤制油分公司 数台制氢吸附器在较短的时间间隔内相继发生开 裂泄漏( 开裂部位包括筒体母材和外壁保温支撑 圈缺口处 角 焊 缝 等) ，天津某石化公司 多 台 吸 附 器使用一个周期( 3 年) 后，全面检验时在筒体环 焊缝上发现多起超标缺陷。上述开裂案例具有以 下几个共同特点:( 1) 制造单位均是国内规模较小的地方压力 容器制造企业;( 2) 均在投用 3 5 内即发生开裂;(

9、3) 开裂部位并不是设计中重点考虑的应力 集中部位，而是在筒体的焊缝或母材上。根据对典型开裂案例的失效分析结果，结合 对中国多家石化及煤化工企业百余台吸附器的设 计和使用情况的调研结果，从疲劳设计、制造、使 用、检验等环节对造成吸附器开裂的主要影响因 素进行了深入分析，提出了防止吸附器过早发生 疲劳破坏的改良措施。图 1 开裂部位示意表 1 氢提浓吸附器主要技术参数1 典型失效分析案例12021 年 6 月，某石化分公司连续重整联合装置一台氢提浓( PSA) 吸附器发生泄漏现象，泄漏 部位位于塔的筒体上部的环焊缝上 ( 见图 1 ) ，裂 纹方向为轴向。该设备 2021 年 6 月投入运行至

10、发生泄漏时累计运行时间约 3 5 年。设备主要技术参数如表 1 所示。1 1 裂纹宏观形貌开裂部位外壁裂纹长度约 410 mm，内壁裂纹 长度约 450 mm，裂纹中心处有约 33 mm × 19 mm 的凹坑( 见图 2) 。裂纹附近焊缝金属的最小厚度40 65 mm，筒 体 厚 度 44 70 mm。根 据 裂 纹 内 壁 长度大于外壁长度的现象可以推断裂纹是由内向 外扩展的。另，除已穿透裂纹外，在其附近的环焊 缝上还发现了 5 条 长 度 为 15 30 mm 的 埋 藏 横 向裂纹，根据裂纹的埋藏深度判断，裂纹均位于环1 2材质理化分析针对开裂环焊缝及相关筒体母材进行了化学成

11、分分析、力学性能试验。分析结果说明，焊缝金属和母材的化学成分及力学性能满足相关标准的 要求( 见表 2 4) 。1 3金相分析1 3 1 焊接接头金相组织开裂环焊缝经金相制样后，其焊接接头的宏 观形貌及典型分析部位金相组织 见 图 3，可 以 看出，该焊缝的焊接顺序为先焊外坡口、后 焊 内 坡口，焊接接头不同区域金相组织正常，未发现有淬 硬组织存在。·62·参数数值设计压力 / MPa工作压力 / MPa操作压力 / MPa设计温度 / 最高工作温度 / 规格 / mm介质 材质 焊后热处理工艺2 972 70 03 2 6 之间交变， 年交变次数为 35000 次7050

12、3800 × 13286 × 42重整尾气 + 氢气16Mn( 600 640) × 2 5 h第 30 卷第 4 期压力容器总第 245 期( a)外壁裂纹( b)内壁裂纹图 2 开裂部位裂纹宏观形貌表 2化学成分分析结果%表 3焊接接头拉伸试验结果1 3 2裂纹金相( 1) 泄漏裂纹尖端穿透裂纹内壁下尖端宏观 及微观形貌见图 4。分析说明，裂纹尖主要以穿晶为主，细直，无分 叉，这些主要特征与疲劳裂纹相符。( 2) 埋藏裂纹图 5 示出超声波检测发现的 2 条埋藏裂纹宏 观与微观形貌，裂纹呈明显的弧线和弯曲状，并表 现出沿晶扩展特征。电子金相分析说明裂纹有小 分

13、叉，裂纹缝隙中有氧化物类夹杂物存在 ( 见 图6) 。eLm表 4 冲击试验1 4断口分析1 4 1 泄漏裂纹断口将泄漏裂纹翻开后，断口形貌见图 7，在启裂 部位存在尺寸为 17 mm × 12 mm 的裂纹类原始缺 陷，该裂纹原为靠近内外表的埋藏缺陷，与内外表 约呈 45°夹角。除原始埋藏缺陷断面外的其他断 口区域断面较平整，并可见疲劳断口特有的疲劳·63·缺口位置KV2/ J平均值/ J试验温度/ 备注焊缝金属热影响区109，110，102139，131接接头焊接接头母材( 筒体 1)174，171，168195，195，2

14、0017119700横向取样纵向取样母材( 筒体 2)158，181，182183，196向取样纵向取样16Mn( GB 665496)310分析部位屈服强度 / MPa抗拉强度 / MPa延伸率A / %断裂部位焊接接头520515母材 母材16Mn( GB 665496)305470 60021分析部位CSiMnPSCrNiMoCu筒体母材 1筒体母材 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环焊缝外坡口侧 内坡口侧0 0720 0590 3070 4881 581 300 0290 0160 0120 00810 0200 0250 00400 00120 00330 00380 0420 016焊丝 E501T 1焊丝 H10Mn20 180 120 900 071 751 50 1 900 200 350 030 350 200 200 500 300 300 350 20CPVT变压吸附器开裂原因分析及失效预防Vol30. No4 2021纹理。整个断裂面除启裂部位外均具有典型的疲劳断口宏观特征。·64·第

16、30 卷第 4 期压力容器总第 245 期原始缺陷断面微观断口形貌 见 图 8，断 口 呈自由凝固面和局部韧窝断裂面混合形貌，裂纹扩 展断口微观形貌见图 9，10，断口上可见明显的疲 劳辉纹。12。该埋藏裂纹在焊缝中的部位、裂纹的方向及断口宏观和微观形貌与泄漏裂纹断口上的原始缺 陷非常相似。1 4 2埋藏裂纹断口将图 5 中两条相同性质埋藏裂纹中的一条打开后的断口宏观形貌见图 11，断口微观形貌见图·65·CPVT变压吸附器开裂原因分析及失效预防Vol30. No4 2021成形和熔深较浅等特点以及调查所了解到情况来看，失效吸附器环焊缝采用 X 型 坡 口，内 外 坡 口

17、均采用了药芯焊丝 CO2 气保焊，焊接材料牌号为 E501T 1，焊接顺序为先 焊 外 壁 ( 6 道) ，后 焊 内 壁( 6 7 道) 。调查发现，由该厂同一批制造的另 一台规格完全相同的吸附器( 位号: C2101B) 进行 T 检测时，在与 C2101开裂部位相同的焊缝上 也检测出多条埋藏裂纹，特别是在筒体与上封头 连接焊缝上检出了超过 13 条埋藏裂纹。由此可 见，制造单位在制造该批吸附器时，采用的药芯焊 丝气保焊工艺存在较高的产生裂纹的概率。药芯焊丝具有: 飞溅小、熔滴过渡均匀、焊缝 成形好、可用较大焊接电流进行全位置焊接和生 产效率高( 生产率比焊条电弧焊高约 3 5 倍) 等

18、优点2，近年来越来越多地被容器制造厂采用， 特别是一些中小型的制造厂将采用药芯焊丝提高 焊接生产效率作为降低制造本钱的一个重要竞争 手段。但是从一些容器制造厂药芯焊丝的使用情 况来看，由于药芯焊丝存在外表容易锈蚀，粉剂易 吸潮等缺点，一旦受潮和锈蚀，将导致焊缝金属中 的氢、氧及低熔点污染元素的含量较高，产生焊接 缺陷( 裂纹、气 孔、夹 渣 等) 的 概 率 较 高。本 失 效 吸附器在 开 裂 部位附近同一条环焊缝上约 800 mm 范围内 即 检 出 5 条 15 30 mm 长 埋 藏 裂 纹( 原始焊接热裂纹) ，足以说明制造厂选用的焊接 工艺不当，同时在制造质量控制上存在明显缺陷。2

19、 2 原始制造缺陷开裂的影响金属结构在疲劳载荷下的寿命包括无缺陷时 疲劳萌生寿命和裂纹萌生后的疲劳扩展寿命，一 般萌生寿命占总寿命的 90% ，疲劳裂纹扩展寿命 很短。从上述失效案例分析结果可知，焊缝中存 在原始制造缺陷 ( 热裂纹) 是导致该吸附器仅运 行 3 5 年就发生筒体开裂的主要原因。吸附器设 计的疲劳寿命是基于材料无缺陷状态下的 SN 曲线，在无缺陷的情况下疲劳裂纹的萌生寿命很 长，但一旦有原始裂纹存在，裂纹不需要萌生，在 疲劳载荷作用下就会发生亚临界扩展。当原始裂 纹尺寸开展到某一临界条件时，裂纹就会发生失 稳。由于越过了疲劳裂纹的萌生阶段，因此显著 地缩短了设备的疲劳寿命。本案

20、例中发生泄漏的 裂纹断面的启裂部位存在明显的原始焊接裂纹， 证明了原始焊接缺陷成为了疲劳裂纹源。( 下转第 60 页)图 10 裂纹扩展区微观断口图 11 埋藏裂纹配对断口宏观形貌图 12 埋藏裂纹断口微观形貌根据泄漏裂纹断口上原始缺陷具有自由凝固面的柱状晶形貌特征以及光学和电子金相的沿晶 和裂纹缝隙中存在氧化物夹渣等特点综合分析认 为，泄漏裂纹断口上启裂部位原始焊接缺陷和 UT 检测发现的焊缝中的埋藏裂纹性质相同，均属焊 接热裂纹。1 5 分析结论吸附器开裂的原因是环焊缝的内坡口焊道上 存在埋藏原始焊接热裂纹，设备运行过程中裂纹 在环向交变应力的作用下沿轴向发生疲劳扩展， 最终穿透筒体壁厚引

21、起泄漏。2 讨论2 1裂纹产生的原因从开裂焊缝焊接接头的低倍金相形貌的焊道·66·CPVTGB 502352021?工业金属管道工程施工标准?疑难点解读Vol30. No4 2021参考文献:1234GB 502352021，工业金属管道工程施工标准SGB 503162000，工业金属管道设计标准SGB / T 208012006，压力管道标准 工业管道S TSG D00012021，压 力 管道平安技术监察规 程工业管道SGB 501842021，工业金属管道工程施工质量验收 标准SGB / T 10482005，管道元件 PN( 公称压力) 的定 义和选用 SGB 71

22、32021，锅炉和压力容器用钢板SGB / T 10472005，管道元件 DN( 公称尺寸) 的定 义和选用S李行健 现代汉语标准词典M 北京: 外语教学与 研究出版社，2004GB / T 122242005，钢制阀门 一般要求S GB / T 91242000，钢制管法兰 技术条件S GB / T 264802021，阀门的检验和试验S GB / T 91242021，钢制管法兰 技术条件S胡 忆 沩 带压密封工程概 论J 润 滑 与 密 封，2006，( 2) : 79 8256789图 7 三通部位预保夹具结构示意10111213147结语GB 502352021?工业金属管道工程施工规范?自公布 实 施 以 来，根据许多施工单 位 的 反 馈 意见，综合起来，主要集中在公称压力、公称尺寸、 试验压力、预保带压密封夹具等问题上，文中分别 对上述疑难点进行了较细致地解读，特别是对本 次修订中增设的预保带压密封