蒙福祥
（海洋石油富岛有限公司，海南 东方572600）
［摘 要］ 海洋石油富岛有限公司300 kt/a合成氨装置一段炉对流段混合原料气盘管（9#盘管）分别于2016年12月、2017年2月2次出现同样的开裂泄漏事故。通过取样采用材料化学成分分析、金相分析、力学性能分析、硬度测试、应力分析等失效分析手段，综合分析认为，9#盘管由于多次焊接（包括补焊）的残余应力、局部拘束状态下产生的结构应力、内压载荷所致结构应力的叠加影响，致使其焊接接头在高温（9#盘管正常操作温度580 ℃）下出现快速的蠕变——应力开裂，最终造成9#盘管泄漏失效。采用正确的焊接工艺、合理的组对结构、适当的检测措施等对9#盘管进行修复后，2017年7月停车和2018年3月大修中检测9#盘管未再发现有严重缺陷。并据国内外同类装置的使用经验和9#盘管的修复经验提出了预防盘管再次开裂的应对措施。
［关键词］ 一段炉混合气盘管开裂；化学成分分析；金相分析；力学性能分析；硬度测试；应力分析；综合分析；应对措施
［中图分类号］ TQ113.25+4［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2019）05-0042-04
1 概 述
海洋石油富岛有限公司（简称海油富岛）300 kt/a合成氨装置由日本千代田化工株式会社总承包，1996年建成投产，其一段转化炉采用托普索侧烧炉，炉管总数为108根，对流段盘管置于辐射段顶部。随着设备服役时间的延长，混合气盘管由于材质劣化于2012年整体进行了更换，但当时未对混合气盘管出口集合管（简称集合管）进行更换；2014年大修中，金相检测发现集合管已严重劣化，当时由于大修已临近结束，来不及准备新的集合管，于是决定在下次大修（2016年2月）中对集合管进行更换。
2016年12月20日10：00，操作人员巡检发现一段炉对流段混合原料气盘管（简称混合气盘管）处有异响， 拆除盘管外保温层后发现9#盘管（混合气盘管出口管排共9根）与集合管焊接接头处开裂（盘管与集合管的焊接接头区域盘管一侧出现裂纹）泄漏，现场目测其裂纹长度在140 mm左右，于是临时紧急停车进行抢修。
初步分析认为，9#盘管焊缝经过多次焊接（2012年和2016年合计在盘管侧已经历了4次焊接的冷热循环），热影响区材质存在劣化趋势，这可能是9#盘管产生裂纹的主要原因。于是对9#盘管裂纹进行打磨补焊，经过12 h的抢修，检测合格后9#盘管继续投入使用，并在系统重启前后对集合管出口南、北分布管膨胀量也进行了检测，发现集合管出口南、北分布管在开车状态下炉管均有不同程度的受热膨胀位移，为防止热膨胀位移受限而导致盘管意外受力，对盘管的炉膛壁板卡口位置进行了割口处理。本次停车抢修期间还对9根盘管与集合管的焊缝全部进行了射线检测和金相检测，并对盘管与炉膛壁板间隙进行测量，结果表明，只有9#盘管与炉膛壁板间隙太小——9#盘管与炉膛壁板有接触现象。
2017年2月，9#盘管与集合管焊接接头处管侧再次出现裂纹，开裂部位的现场金相检测表明裂纹仍呈现沿晶边界扩展的特征，硬度检测发现母材硬度约150～170 HB、焊缝硬度约170 HB。考虑到盘管一侧热影响区实际已经经历了5次焊接（包括2016年12月开裂后的补焊修复）的冷热循环，而集合管座一侧也有4次焊接，决定对9#盘管一侧直管段进行局部更换，更换长度为320 mm，并将截取下来的含开裂处的管段委托中国特种设备检测研究院进行失效分析，以找出9#盘管开裂的原因。
2 宏观检查
宏观观察截取下的含开裂处的管段，发现裂纹位于焊接接头区域盘管一侧的热影响区，与熔合线基本平行，裂纹无明显分支，裂纹处可明显分辨出上次开裂（泄漏）处理时留下的补焊焊缝；宏观观察管段外壁及内表面均无明显的局部腐蚀或减薄，亦无明显的机械划伤等痕迹。采用超声波测厚仪测量盘管壁厚，其壁厚范围为6.7～7.1 mm，与盘管的原始壁厚相比无明显的减薄。
3 9#盘管开裂失效原因分析
3.1 材料化学成分分析
从9#盘管管段母材（800H）上取样，进行材料化学成分分析，结果见表1。可以看出，9#盘管母材化学成分同时满足《化学工业炉金属材料设计选用规定》（HG/T 20684—2012）（800H镍基合金钢）和ASME（SB 407 N08810）的化学成分要求。
从焊缝上取样，进行焊缝金属（以ERNiCr-3熔敷金属为主）的化学成分分析，结果见表2。需要说明的是，限于管段截取时需保留管座一侧坡口以便于后续焊接修复，截取下来的管段未能保留完整焊缝，故焊缝金属化学成分分析结果仅作为参考。
3.2 金相分析
从管段取样进行金相分析，远离焊缝处的母材金相图显示，其基体组织为奥氏体，晶粒度约为5级，晶内和晶界均有较大尺寸的碳化物析出，部分晶界碳化物边缘可观察到沿晶微裂纹；对晶界和晶内的碳化物进行能谱分析，结果见表3。可以看出，析出物中Ti和Nb元素含量较高，可能为硬脆的TiC和NbC。
从盘管焊接接头的9点钟方位（记为A处）取样进行金相分析，焊接接头A处金相试样各区域分布见图1，从左至右依次为原始焊缝（管座与盘管）、小片盘管母材、补焊焊缝（盘管与盘管）、穿透性裂纹。
A处穿透性裂纹处局部金相图显示：紧邻补焊焊缝有一条明显的裂纹从盘管内表面热影响区起裂后，沿穿透壁厚的方向一直向外表面扩展，进入补焊焊缝一小段距离后停止，标记为A-Ⅰ号裂纹，其部分位置沿晶开裂特征明显；另一条裂纹从盘管外表面靠近补焊焊缝的热影响区开始起裂，然后沿补焊焊缝的热影响区沿晶扩展，标记为A-Ⅱ号裂纹。A-Ⅰ号和A-Ⅱ号裂纹分别从盘管的内、外表面起裂，在扩展过程中2条裂纹串接起来贯穿了盘管的整个壁厚。
靠近补焊焊缝处的盘管母材金相组织与远离焊缝处的母材金相组织基本一致，均为正常的奥氏体基体组织，晶内和晶界存在明显的碳化物（TiC、NbC）。
进一步进行取样，在焊接接头的11点钟方位（记为B处）取样进行金相分析，同样可见非常明显的沿晶开裂特征：其中一条较长的裂纹，内宽外窄，未穿透壁厚，标记为B-Ⅰ号裂纹，在B-Ⅰ号裂纹根部附近还有一条较短的裂纹，从盘管内表面刚起裂；另一条较长裂纹，外宽内窄，从盘管外表面起裂并向内表面扩展，裂纹较为平直，几乎无分支，已穿透壁厚，标记为B-Ⅱ号裂纹。
3.3 力学性能分析
（1）在管段上按要求取样进行常温单轴拉伸试验，结果见表4。
(2）在管段上取样（试样宽度均为5 mm）进行夏比V形缺口常温冲击试验，结果显示：远离焊缝的母材-4、远离焊缝的母材-5、远离焊缝的母材-6的冲击功分别为37 J、35 J、39 J。
更多内容详见《中氮肥》2019年第5期