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某炼油厂一台浮头式换热器氢致开裂的分析及预防措施

文档作者：张锐文档来源：宁夏回族自治区锅炉压力容器检验所		更新日期： 2026年05月17日	点击数：
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2017 年 10 月 Engineering Equipment and Materials | 工程设备与材料 | ·132·
某炼油厂一台浮头式换热器氢致开裂的分析及预防措施
张 锐
（宁夏回族自治区锅炉压力容器检验所，宁夏 银川 750001）
摘　要：在湿硫化氢环境中，有制造分层缺陷的浮头式换热器发生电化学腐蚀，阴极反应生成活性很强的氢原子，氢原
子渗透并扩散到钢材中，在分层缺陷处和非金属夹杂处聚集形成氢分子。当氢分压达到临界值时，导致材料发生塑性变形，
形成向外隆起的氢鼓泡，当氢鼓泡不断长大相连就易形成台阶状裂纹特征的氢致开裂。影响氢致开裂的因素包括材料成
分、显微组织、硫化氢含量、PH 值、温度等。
关键词：浮头式换热器；分层；氢鼓泡；氢致开裂；HIC
中图分类号：TE624 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2017）10-0132-02
1 前言
换热器作为一种热量传递和交换设备，其能够实现将
热流体部分的热量传递给冷流体，在工业生产活动当中，
流体间的热量交换、高温流体的冷却、低温流体的加热
都是非常常见的，在实现这些过程的转换的过程中，都
涉及到热量传递的问题，而要很好的实现这一过程就需
要应用到换热器。因此换热器是实现化工生产过程中热
量交换和传递不可缺少的设备。
在长期的应用过程中，浮头式换热器不管是在技术
水平上还是在应用上都取得了良好的发展，这主要是因
为与其他型式的换热器相比，其具有广泛的适用性，并
且在实际应用中可靠性非常高。近年来随着各项技术的
进步与发展，越来越多的新型换热器在实际应用中取得
了广泛的应用，但是浮头式换热器仍然占据着主导地位，
这主要是因为其具有一系列的优势，如：①管程具有良
好的耐腐蚀性能；②具有良好的耐高温与耐高压性能；
③在结垢严重的场合中依然具有良好的适用性；④不受
介质间温差的限制；⑤由于其管束可以抽出，使得其管、
壳程的清洗非常方便。但是从另外一方面讲，因其小浮头
容易发生内漏，结构较复杂，在设计制造、组装焊接、检验、
使用等环节稍有不慎，都会给换热器安全运行带来隐患。
文章就宁夏某炼油厂一台浮头式换热器在检验中发现的
裂纹作一系统的分析。
2 浮头式换热器设计（运行）参数
设计（运行）参数如表1 所示。
表1 浮头式换热器设计（运行）参数
参数壳程管程
设计压力（MPa） 2.45 2.45
工作压力（MPa） 1 0.4
设计温度（℃） 200 200
介质液化石油气循环水
主要受压元件材质15MnR 20，16MnR
主要受压元件规格（mm） 12/14
3 检验过程中发现的问题
该换热器于2013 年投入使用，2016 年我所对这台设
备进行首次全面检验。检验过程中，对该换热器筒节进
行外表面周向均布壁厚测量时，发现浮头端外头盖短节
设计壁厚为14mm，而实测值在6.5 ～ 7.0mm。为了确定
壁厚减薄的原因，故要求使用单位将浮头端外头盖（见
图1）拆除，拆除后宏观检查发现外头盖短节内表面存在
多处不均匀坑状腐蚀，腐蚀坑深度h：1mm，腐蚀坑直径
φ5mm，并且存在两处直径φ60mm，高h：5mm 的轻
微鼓包。通过内表面超声扫查，进一步确定此短节壁厚
减薄原因为制造过程中的材料分层缺陷引起，随后对鼓
包处进行了磁粉探伤发现鼓包处存在5 条裂纹，裂纹形
貌成阶梯状，其中最长一条裂纹长度为47mm（见图2）。
图1　　　　　　　　　　　图2
4 缺陷产生的原因分析
根据分析，此裂纹产生的原因如下：在湿硫化氢环境
下，换热器浮头端外头盖短节内壁发生电化学腐蚀，阴极
反应生成活性很强的氢原子，氢原子渗透并扩散进入钢材
内部，在钢材分层缺陷和非金属夹杂处聚集形成氢分子；
氢气聚集并不断长大，增大分层处或夹杂物与金属之间
的内压，研究表明当氢分压达到一定程度后，氢气压力
产生的应力大于材料的弹性极限时，材料产生塑性变形，
向外隆起而形成鼓泡，当氢分压继续增高时，一个个小
鼓泡不断长大并不断相连，贯通形成带有阶梯状裂纹特
征的氢致开裂（HIC）。由此可见，氢致开裂（HIC）的
形成必须同时具备以下两个条件：①环境中存在原子状
态的氢；②材料本身存在内部缺陷、夹杂物或晶格缺陷等。
该换热器壳程介质为液化石油气，其中含有大量的湿
硫化氢气体，再一个钢材本身有制造时的分层缺陷，以
上条件具备了氢致开裂（HIC）形成的所有条件，经过一
定的时间氢鼓泡不断长大直至发生氢致开裂（HIC）。
5 氢致开裂（HIC）失效的影响因素
5.1 材料因素
（1）材料成分。有研究数据表明，钢材当中硫化物
的分布情况以及S 含量的大小会对氢致开裂（HIC）产生
影响，尤其是其中硫化物的夹杂含量与氢致开裂（HIC）
存在非常密切的联系，二者之间具有正相关性。单位面
积上所包含的夹杂物的总长度越大，最终导致氢致开裂
（HIC）的可能性就越高。所以说，要想降低钢的氢致开
裂（HIC）敏感性，就应该采取有效的措施来降低或控制
钢材中的S 含量，若是钢制压力容器需要应用于含湿硫
化氢介质的环境中，应尽可能的将材料中的S 含量控制
在不超过0.005% 的范围当中，从而有效的降低其氢致开
裂（HIC）的可能性。
（2）材料显微组织。研究表明，对材料抗氢致开裂
（HIC）性能具有影响的一个非常重要的因素就是其显微
DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2017.10.073
·133· | 工程设备与材料 | Engineering Equipment and Materials 2017 年 10 月
组织，材料在采用淬火+ 高温回火的热处理措施后，其
显微组织晶粒细小而均匀，这种微观组织具有非常好的
抗氢致开裂（HIC）性能，而未经过回火处理的马氏体组
织，其氢致开裂（HIC）敏感性最高；均匀的针状铁素体
和超细的等轴铁素体组织的抗氢致开裂（HIC）性能也很
好。不同显微组织的抗氢致开裂（HIC）敏感性从强到弱
大致是：铁素体＞珠光体＞贝氏体＞低碳马氏体＞马氏
体和贝氏体的混合物组织＞孪晶马氏体。
（3）材料的硬度和焊后热处理。硬度值高的材料，
特别是材料的焊缝及热影响区部位具有非常高的硬度，
若是材料在焊后没有经过热处理，很容易引发氢致开裂
（HIC）。
5.2 环境因素
（1）pH 值：溶液的pH 值小于4，且溶解有硫化氢
时易发生氢致开裂（HIC）。此外溶液的pH 值大于7.6，
且氢氰酸浓度>20ppm 并溶解有硫化氢时氢致开裂（HIC）
易发生。
（2） 硫化氢分压： 溶液中溶解的硫化氢浓度
>50ppm 时氢致开裂（HIC）容易发生，或潮湿气体中硫
化氢气相分压大于0.0003MPa 时，氢致开裂（HIC）容
易发生，且分压越大，敏感性越高。
（3）温度：氢鼓泡、氢致开裂（HIC）发生的温度
范围为室温到150℃，有时可以更高，硫化物应力腐蚀开
裂通常发生在82℃以下。
（4）如果溶液中含有硫氢化铵且浓度超过2%（质
量比）会增加氢鼓泡、氢致开裂（HIC）的敏感性。
（5）如果溶液中含有氰化物时，会明显增加氢鼓泡、
氢致开裂（HIC）的敏感性。
6 预防措施
（1）严格控制压力容器用材料中的S、P 含量，尤
其是S 元素的含量不超过0.005%，这样可大大降低材料
发生氢致开裂的可能性。
（2）用于制造压力容器的钢板/ 钢管，应尽量选用
正规厂家生产的并附带有材料质量证明文件的合格材料，
应重视压力容器制造前的材料验收环节，避免将材料在
制造阶段产生的制造缺陷带入到压力容器制造环节。
（3）需进行焊后热处理的焊缝，应严格执行焊后热
处理工艺。
（4）压力容器使用单位应在工艺方面严格控制介质
中的硫化氢浓度不超过50ppm 或潮湿气体中硫化氢气相
分压不大于0.0003MPa。如不能控制时，可选用合适的
钢材或合金，或设置有机防护层。
参考文献：
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作者简介：张锐（1980-），男，工程师，研究方向：压力容器、
压力管道的检验。
（上接第117 页）之间的连续，尽可能的不要产生中断的
问题。遇到施工的障碍且必须要中断的话，尽量控制好
中断的时间不要太长，最好在2h 之内。如果超过了2h，
接缝需要进行特殊处理，在混合料的地方放置2 根木块，
高度与混合料的厚度对称，然后摊铺机再次进行碾压，对
其做摊铺处理；另外一种方式是纵向接缝的处理。这种处
理在实际的操作中是尽量避免的一种操作。在冷再生施
工时，采用两台摊铺机同时进行才能保证好其施工效果。
（6）养生处理。在做完上述操作之后，对进行冷再
生施工之后的公路进行保养。道路施工中的养生大部分
也是对混凝土的养生操作。对他们的养生期需要超过7 天，
而在养生期间需要做好交通的封闭，禁止所有的车辆经
过。工作人员对处于养生期间的道路要定期的检查。在
路面硬化过程中，他们对周遭的湿度和温度的变化都较
为敏感。如果路面的湿度不够还需要对其进行喷水处理，
来保持路面的湿润度的稳定性。一旦水分散发太快，便
会直接影响到混凝土的强度以及使用时的耐用性。因此，
在养生期间，需要做好路面养护工作，保证路面质量能
够得到稳固，防止产生开裂等现象。
4 结束语
随着国内公路线路的扩展，原先旧的沥青路面的维修
量需求也在逐年的上升。而水泥冷再生技术作为目前较广
泛应用和采纳的一种方式，在国内的维修过程中有着重
要的作用。从技术的角度来说，冷再生所产的效果较为均
匀且破坏力有限，这种一次性的作业对路面也有较高的
保护性。而从资源节约的角度来讲，这种技术是对旧的
路面材料的综合应用，减少了新材料的投入，也使原先
废弃的资源能够得到有效的利用，减少了对环境造成的
污染。因此，冷再生技术的应用是具有积极的效果。目前，
做好对冷再生技术工艺水平的提高也一直是我们公路建
设的重要目标。施工环节的控制以及施工质量的保证都
对冷再生技术提出了更多的要求。这项技术的发展还有
很长的一段路要走，公路的建设需要这种技术来提高作
业的效率和质量，帮助国家更好的规划国内的交通线路，
促进公路事业的进一步发展。
参考文献：
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作者简介：彭博（1988-），男，助理工程师，研究方向：公路路
面工程。

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