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某煉油廠一臺浮頭式換熱器氫致開裂的分析及預防措施

文檔作者：張銳文檔來源：寧夏回族自治區鍋爐壓力容器檢驗所		更新日期： 2026年05月17日	點擊數：
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2017 年 10 月 Engineering Equipment and Materials | 工程設備與材料 | ·132·
某煉油廠一臺浮頭式換熱器氫致開裂的分析及預防措施
張 銳
（寧夏回族自治區鍋爐壓力容器檢驗所，寧夏 銀川 750001）
摘　要：在濕硫化氫環境中，有制造分層缺陷的浮頭式換熱器發生電化學腐蝕，陰極反應生成活性很強的氫原子，氫原
子滲透并擴散到鋼材中，在分層缺陷處和非金屬夾雜處聚集形成氫分子。當氫分壓達到臨界值時，導致材料發生塑性變形，
形成向外隆起的氫鼓泡，當氫鼓泡不斷長大相連就易形成臺階狀裂紋特征的氫致開裂。影響氫致開裂的因素包括材料成
分、顯微組織、硫化氫含量、PH 值、溫度等。
關鍵詞：浮頭式換熱器；分層；氫鼓泡；氫致開裂；HIC
中圖分類號：TE624 文獻標志碼：A 文章編號：2096-2789（2017）10-0132-02
1 前言
換熱器作為一種熱量傳遞和交換設備，其能夠實現將
熱流體部分的熱量傳遞給冷流體，在工業生產活動當中，
流體間的熱量交換、高溫流體的冷卻、低溫流體的加熱
都是非常常見的，在實現這些過程的轉換的過程中，都
涉及到熱量傳遞的問題，而要很好的實現這一過程就需
要應用到換熱器。因此換熱器是實現化工生產過程中熱
量交換和傳遞不可缺少的設備。
在長期的應用過程中，浮頭式換熱器不管是在技術
水平上還是在應用上都取得了良好的發展，這主要是因
為與其他型式的換熱器相比，其具有廣泛的適用性，并
且在實際應用中可靠性非常高。近年來隨著各項技術的
進步與發展，越來越多的新型換熱器在實際應用中取得
了廣泛的應用，但是浮頭式換熱器仍然占據著主導地位，
這主要是因為其具有一系列的優勢，如：①管程具有良
好的耐腐蝕性能；②具有良好的耐高溫與耐高壓性能；
③在結垢嚴重的場合中依然具有良好的適用性；④不受
介質間溫差的限制；⑤由于其管束可以抽出，使得其管、
殼程的清洗非常方便。但是從另外一方面講，因其小浮頭
容易發生內漏，結構較復雜，在設計制造、組裝焊接、檢驗、
使用等環節稍有不慎，都會給換熱器安全運行帶來隱患。
文章就寧夏某煉油廠一臺浮頭式換熱器在檢驗中發現的
裂紋作一系統的分析。
2 浮頭式換熱器設計（運行）參數
設計（運行）參數如表1 所示。
表1 浮頭式換熱器設計（運行）參數
參數殼程管程
設計壓力（MPa） 2.45 2.45
工作壓力（MPa） 1 0.4
設計溫度（℃） 200 200
介質液化石油氣循環水
主要受壓元件材質15MnR 20，16MnR
主要受壓元件規格（mm） 12/14
3 檢驗過程中發現的問題
該換熱器于2013 年投入使用，2016 年我所對這臺設
備進行首次全面檢驗。檢驗過程中，對該換熱器筒節進
行外表面周向均布壁厚測量時，發現浮頭端外頭蓋短節
設計壁厚為14mm，而實測值在6.5 ～ 7.0mm。為了確定
壁厚減薄的原因，故要求使用單位將浮頭端外頭蓋（見
圖1）拆除，拆除后宏觀檢查發現外頭蓋短節內表面存在
多處不均勻坑狀腐蝕，腐蝕坑深度h：1mm，腐蝕坑直徑
φ5mm，并且存在兩處直徑φ60mm，高h：5mm 的輕
微鼓包。通過內表面超聲掃查，進一步確定此短節壁厚
減薄原因為制造過程中的材料分層缺陷引起，隨后對鼓
包處進行了磁粉探傷發現鼓包處存在5 條裂紋，裂紋形
貌成階梯狀，其中最長一條裂紋長度為47mm（見圖2）。
圖1　　　　　　　　　　　圖2
4 缺陷產生的原因分析
根據分析，此裂紋產生的原因如下：在濕硫化氫環境
下，換熱器浮頭端外頭蓋短節內壁發生電化學腐蝕，陰極
反應生成活性很強的氫原子，氫原子滲透并擴散進入鋼材
內部，在鋼材分層缺陷和非金屬夾雜處聚集形成氫分子；
氫氣聚集并不斷長大，增大分層處或夾雜物與金屬之間
的內壓，研究表明當氫分壓達到一定程度后，氫氣壓力
產生的應力大于材料的彈性極限時，材料產生塑性變形，
向外隆起而形成鼓泡，當氫分壓繼續增高時，一個個小
鼓泡不斷長大并不斷相連，貫通形成帶有階梯狀裂紋特
征的氫致開裂（HIC）。由此可見，氫致開裂（HIC）的
形成必須同時具備以下兩個條件：①環境中存在原子狀
態的氫；②材料本身存在內部缺陷、夾雜物或晶格缺陷等。
該換熱器殼程介質為液化石油氣，其中含有大量的濕
硫化氫氣體，再一個鋼材本身有制造時的分層缺陷，以
上條件具備了氫致開裂（HIC）形成的所有條件，經過一
定的時間氫鼓泡不斷長大直至發生氫致開裂（HIC）。
5 氫致開裂（HIC）失效的影響因素
5.1 材料因素
（1）材料成分。有研究數據表明，鋼材當中硫化物
的分布情況以及S 含量的大小會對氫致開裂（HIC）產生
影響，尤其是其中硫化物的夾雜含量與氫致開裂（HIC）
存在非常密切的聯系，二者之間具有正相關性。單位面
積上所包含的夾雜物的總長度越大，最終導致氫致開裂
（HIC）的可能性就越高。所以說，要想降低鋼的氫致開
裂（HIC）敏感性，就應該采取有效的措施來降低或控制
鋼材中的S 含量，若是鋼制壓力容器需要應用于含濕硫
化氫介質的環境中，應盡可能的將材料中的S 含量控制
在不超過0.005% 的范圍當中，從而有效的降低其氫致開
裂（HIC）的可能性。
（2）材料顯微組織。研究表明，對材料抗氫致開裂
（HIC）性能具有影響的一個非常重要的因素就是其顯微
DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2017.10.073
·133· | 工程設備與材料 | Engineering Equipment and Materials 2017 年 10 月
組織，材料在采用淬火+ 高溫回火的熱處理措施后，其
顯微組織晶粒細小而均勻，這種微觀組織具有非常好的
抗氫致開裂（HIC）性能，而未經過回火處理的馬氏體組
織，其氫致開裂（HIC）敏感性最高；均勻的針狀鐵素體
和超細的等軸鐵素體組織的抗氫致開裂（HIC）性能也很
好。不同顯微組織的抗氫致開裂（HIC）敏感性從強到弱
大致是：鐵素體＞珠光體＞貝氏體＞低碳馬氏體＞馬氏
體和貝氏體的混合物組織＞孿晶馬氏體。
（3）材料的硬度和焊后熱處理。硬度值高的材料，
特別是材料的焊縫及熱影響區部位具有非常高的硬度，
若是材料在焊后沒有經過熱處理，很容易引發氫致開裂
（HIC）。
5.2 環境因素
（1）pH 值：溶液的pH 值小于4，且溶解有硫化氫
時易發生氫致開裂（HIC）。此外溶液的pH 值大于7.6，
且氫氰酸濃度>20ppm 并溶解有硫化氫時氫致開裂（HIC）
易發生。
（2） 硫化氫分壓： 溶液中溶解的硫化氫濃度
>50ppm 時氫致開裂（HIC）容易發生，或潮濕氣體中硫
化氫氣相分壓大于0.0003MPa 時，氫致開裂（HIC）容
易發生，且分壓越大，敏感性越高。
（3）溫度：氫鼓泡、氫致開裂（HIC）發生的溫度
范圍為室溫到150℃，有時可以更高，硫化物應力腐蝕開
裂通常發生在82℃以下。
（4）如果溶液中含有硫氫化銨且濃度超過2%（質
量比）會增加氫鼓泡、氫致開裂（HIC）的敏感性。
（5）如果溶液中含有氰化物時，會明顯增加氫鼓泡、
氫致開裂（HIC）的敏感性。
6 預防措施
（1）嚴格控制壓力容器用材料中的S、P 含量，尤
其是S 元素的含量不超過0.005%，這樣可大大降低材料
發生氫致開裂的可能性。
（2）用于制造壓力容器的鋼板/ 鋼管，應盡量選用
正規廠家生產的并附帶有材料質量證明文件的合格材料，
應重視壓力容器制造前的材料驗收環節，避免將材料在
制造階段產生的制造缺陷帶入到壓力容器制造環節。
（3）需進行焊后熱處理的焊縫，應嚴格執行焊后熱
處理工藝。
（4）壓力容器使用單位應在工藝方面嚴格控制介質
中的硫化氫濃度不超過50ppm 或潮濕氣體中硫化氫氣相
分壓不大于0.0003MPa。如不能控制時，可選用合適的
鋼材或合金，或設置有機防護層。
參考文獻：
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研究[A]. 中國金屬學會. 第九屆中國鋼鐵年會論文集[C]. 中
國金屬學會,2013:4.
作者簡介：張銳（1980-），男，工程師，研究方向：壓力容器、
壓力管道的檢驗。
（上接第117 頁）之間的連續，盡可能的不要產生中斷的
問題。遇到施工的障礙且必須要中斷的話，盡量控制好
中斷的時間不要太長，最好在2h 之內。如果超過了2h，
接縫需要進行特殊處理，在混合料的地方放置2 根木塊，
高度與混合料的厚度對稱，然后攤鋪機再次進行碾壓，對
其做攤鋪處理；另外一種方式是縱向接縫的處理。這種處
理在實際的操作中是盡量避免的一種操作。在冷再生施
工時，采用兩臺攤鋪機同時進行才能保證好其施工效果。
（6）養生處理。在做完上述操作之后，對進行冷再
生施工之后的公路進行保養。道路施工中的養生大部分
也是對混凝土的養生操作。對他們的養生期需要超過7 天，
而在養生期間需要做好交通的封閉，禁止所有的車輛經
過。工作人員對處于養生期間的道路要定期的檢查。在
路面硬化過程中，他們對周遭的濕度和溫度的變化都較
為敏感。如果路面的濕度不夠還需要對其進行噴水處理，
來保持路面的濕潤度的穩定性。一旦水分散發太快，便
會直接影響到混凝土的強度以及使用時的耐用性。因此，
在養生期間，需要做好路面養護工作，保證路面質量能
夠得到穩固，防止產生開裂等現象。
4 結束語
隨著國內公路線路的擴展，原先舊的瀝青路面的維修
量需求也在逐年的上升。而水泥冷再生技術作為目前較廣
泛應用和采納的一種方式，在國內的維修過程中有著重
要的作用。從技術的角度來說，冷再生所產的效果較為均
勻且破壞力有限，這種一次性的作業對路面也有較高的
保護性。而從資源節約的角度來講，這種技術是對舊的
路面材料的綜合應用，減少了新材料的投入，也使原先
廢棄的資源能夠得到有效的利用，減少了對環境造成的
污染。因此，冷再生技術的應用是具有積極的效果。目前，
做好對冷再生技術工藝水平的提高也一直是我們公路建
設的重要目標。施工環節的控制以及施工質量的保證都
對冷再生技術提出了更多的要求。這項技術的發展還有
很長的一段路要走，公路的建設需要這種技術來提高作
業的效率和質量，幫助國家更好的規劃國內的交通線路，
促進公路事業的進一步發展。
參考文獻：
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作者簡介：彭博（1988-），男，助理工程師，研究方向：公路路
面工程。

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