高壓裝置應(yīng)力腐蝕失效分析及防護(hù)

柏 影

(中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶 163714)

高壓裝置應(yīng)力腐蝕失效分析及防護(hù)

柏 影

(中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶 163714)

針對高壓裝置E408I換熱器頻繁泄漏問題，結(jié)合生產(chǎn)工況對換熱管進(jìn)行了腐蝕失效分析。通過專業(yè)檢測分析手段，結(jié)合高壓裝置特定的運(yùn)行條件，指出了產(chǎn)生管束應(yīng)力腐蝕開裂的條件因素，同時(shí)從材料方面分析了更新后設(shè)備故障率更高的原因。該分析結(jié)果及建議對于在相似工藝條件下已運(yùn)行換熱器及更新?lián)Q熱器的管束應(yīng)力腐蝕的防護(hù)具有一定的借簽作用。

換熱器 應(yīng)力腐蝕 振動(dòng) 失效 分析

塑料廠高壓裝置高壓循環(huán)氣第一冷卻器E408I為固定管板式換熱器，換熱管頻繁泄漏，故障率非常高。因此，為確保裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要找出該換熱器換熱管失效的原因，并對其進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，降低或消除其不利因素，從而降低其故障率。

1 E-408Ⅰ運(yùn)行條件

1.1 E-408Ⅰ流程簡介

E 408I位于高壓裝置反應(yīng)器尾部冷卻水熱水回路(V-505)流程中，在流程中回路的熱水儲(chǔ)存于熱水貯罐 V-505中(正常生產(chǎn)控制壓力0.5 MPa、開車時(shí)0.7 MPa)，用熱水泵 P-506A/B，首先輸送到高壓循環(huán)氣第一冷卻器E408 I，對高壓循環(huán)氣體進(jìn)行冷卻降溫。該換熱器對運(yùn)行環(huán)境的要求比較苛刻，換熱氣體的進(jìn)入溫度高達(dá)300℃，冷卻介質(zhì)為160℃的飽和熱水。該換熱器的工藝參數(shù)見表1。

表1 E-408Ⅰ的工藝參數(shù)

1.2 E-408Ⅰ換熱管歷年失效案例

近幾年該換熱器換熱管失效的案例見表2。

表2 E-408Ⅰ換熱管失效泄漏記錄

2 應(yīng)力腐蝕失效分析

為了從根本上了解換熱管失效原因，對該換熱管進(jìn)行腐蝕失效分析。由于折流板位置入口管子減薄嚴(yán)重，漏點(diǎn)均在此產(chǎn)生，故此次檢測截取了較具腐蝕代表性的入口附近的管子。

3 水質(zhì)因素分析

為了先了解水質(zhì)是否產(chǎn)生腐蝕，首先對水樣的pH值、聯(lián)胺含量、溶解氧、氯根、堿度和電導(dǎo)和鐵離子等項(xiàng)目進(jìn)行檢測。對照2008年以來水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，聯(lián)氨含量、溶解氧、氯根、堿度和電導(dǎo)等項(xiàng)目均合格，排除了水質(zhì)產(chǎn)生腐蝕因素。

4 檢測分析

對有代表性的腐蝕管子進(jìn)行能譜、X-射線衍射檢測分析。

4.1 E-408 I管束殼程入口部位檢測

(1)E-408I管束殼程入口能譜分析:在試樣中取4點(diǎn)做了能譜分析，分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 E-408Ⅰ換熱管能譜分析記錄

從元素檢測情況看只發(fā)現(xiàn)了C，O，Mg和Fe。其中Fe和O含量最多，值得注意的是從檢測結(jié)果看Fe不是以氧化物形式存在。沒有發(fā)現(xiàn)典型的其他腐蝕性元素。

(2)管束殼程入口X射線衍射分析:E-408 I換熱器管束殼程入口X射線衍射分析結(jié)果見圖1。

從圖1X射線衍射分析結(jié)果可以看出，主要有Fe2O3、MgFe 2+3O4、Fe2.95Si0.056O4、Mn2AlO4、MgFe2+3O4 和 Fe2Mn0.5Zn0.5O4、ZnFeVCrO4、CoFe2O4和Fe+2Fe2+3O4的衍射特征峰等，與能譜檢測結(jié)果相呼應(yīng)，以鐵為主，其余有些元素應(yīng)與系統(tǒng)雜質(zhì)微量成分有關(guān)系，所檢測到的化學(xué)成分中未發(fā)現(xiàn)典型腐蝕性介質(zhì)，比如氯化物、硫化物、氮氧化物、硝酸根和硫酸根等。

(3)E-408 I管束殼程入口部位掃描電鏡檢測:對E-408 I高壓換熱器殼程入口折流板管子分別做了200倍、500倍、1000倍和1500倍掃描電鏡檢測，檢測結(jié)果見圖2。由圖2發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)顯著的特征，一是點(diǎn)蝕部位附近存在裂紋區(qū)(或微裂紋區(qū))呈現(xiàn)海灘狀分布或貝殼狀分布，即存在一個(gè)源裂紋，以此為中心呈散射狀;二是裂紋區(qū)形貌類似樹枝狀，個(gè)別呈“米”字分布，這是典型的應(yīng)力腐蝕形貌［1］。

圖2 折流板管子掃描電鏡檢測分析(1500×)

4.2 檢測分析結(jié)論

上述兩個(gè)特征連貫交織，綜合比對判定具有腐蝕疲勞特征，考慮E-408Ⅰ所使用的環(huán)境特征，細(xì)化之則可認(rèn)為是“微振腐蝕”。

(1)微振腐蝕機(jī)理示意圖見圖3。橫向的周期性振動(dòng)，縱向的周期性交錯(cuò)位移，導(dǎo)致管子與折流板不斷摩擦，晶界不斷發(fā)生滑移，新鮮的金屬不斷裸露成為陽極，滑移導(dǎo)致金屬基體產(chǎn)生臺(tái)階形狀，臺(tái)階臺(tái)地部位由于介質(zhì)中氧的修復(fù)作用氧化成鐵的氧化物為陰極，不斷暴露的新鮮金屬成為陽極，如此循環(huán)往復(fù)，使得金屬遭到腐蝕侵害，發(fā)生點(diǎn)蝕、坑蝕、并在接觸部位誘發(fā)裂紋，最終發(fā)生腐蝕泄漏直至報(bào)廢。

此外，周期性交錯(cuò)振動(dòng)導(dǎo)致管束和折流板之間發(fā)生磨損使得折流板和管束金屬粒子直接摩擦損耗也可導(dǎo)致折流板和管束接觸部位形成缺損凹槽。

(2)腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕聯(lián)合作用:從掃描電鏡電鏡觀察尤其明顯，具備有上述腐蝕的兩個(gè)特征。一是具有樹杈狀裂紋分布，這是典型應(yīng)力開裂特征;其二具有貝殼狀裂紋分布，這是典型疲勞腐蝕特征(見圖4)。

5 設(shè)備泄漏原因分析

5.1 微振腐蝕是主要原因

所謂“微振腐蝕”是腐蝕疲勞的一種形式，無論是“微振腐蝕”還是“疲勞腐蝕(CF)”，均是應(yīng)力腐蝕的一種特殊形式，是指承受載荷、互相接觸的兩表面由于振動(dòng)或滑動(dòng)(反復(fù)相對運(yùn)動(dòng))引起的破壞，其核心產(chǎn)生的原因主要還是由兩個(gè)因素決定的，即一是周期性交變性載荷應(yīng)力，二是存在腐蝕性介質(zhì)［2］。

微振腐蝕過程中摩振作用破壞了金屬保護(hù)膜，裸金屬迅速氧化，磨損和氧化反復(fù)進(jìn)行，使破壞加劇。另外，金屬表面因受壓產(chǎn)生冷焊或熔化，其后由于相對運(yùn)動(dòng)使金屬顆粒脫落，并迅速氧化。二者都產(chǎn)生氧化銹粒，破壞金屬界面，氧在疲勞振動(dòng)腐蝕中很重要。

由于流體(飽和熱水)在殼程中的流動(dòng)，其產(chǎn)生共振效應(yīng)，使得管束頻率與流動(dòng)介質(zhì)發(fā)生某種共振，即產(chǎn)生周期性的振動(dòng)和與折流板發(fā)生接觸震蕩損傷管束基體，加之受到腐蝕介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕影響，使得管束金屬表面膜不斷露出新鮮的金屬基體，不斷形成小陽極大陰極，震動(dòng)碰撞部位為陽極，未受到直接損傷的部位為陰極，如此金屬離子由于電化學(xué)的作用不斷散失，腐蝕也不斷進(jìn)行下去，最終導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生腐蝕泄漏。

5.2 氧腐蝕起到加速微振腐蝕的作用

在有氧的溶液中，碳鋼的腐蝕反應(yīng)為:

微振腐蝕過程造成的晶界滑移使得氧不斷補(bǔ)充修復(fù)已破損的部位，未修復(fù)新鮮的金屬晶界或缺陷處或含有雜質(zhì)元素S、Mn部位成為陽極，修復(fù)部位為陰極，氧的存在對形成小陽極大陰極電化學(xué)腐蝕起到有協(xié)同作用。

5.3 設(shè)備材質(zhì)變化導(dǎo)致微振腐蝕加速

從表2可以看出，更新后的設(shè)備故障率遠(yuǎn)大于更新前的設(shè)備，由于操作條件未變，只有材質(zhì)發(fā)生變化(見表1)。因此，對變化的材質(zhì)16MnR鋼管，進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表4。

16Mn(16MnR)一般作為容器用鋼，比一般的碳鋼材質(zhì)具有更高的應(yīng)力腐蝕敏感性。16Mn(16MnR)與20號(hào)從成分上最大的區(qū)別在于Mn含量的不同，其上線的Mn含量是20號(hào)碳鋼的2.5倍，而Mn在腐蝕環(huán)境下卻是發(fā)生點(diǎn)蝕的誘發(fā)元素和裂紋源，尤其是在硫含量超標(biāo)的情況更是如此。

大量的能譜分析和X射線衍射分析結(jié)果表明，E-408Ⅰ高壓換熱器無論從管程還是殼程介質(zhì)中，都沒有發(fā)現(xiàn)典型的腐蝕性元素和化學(xué)介質(zhì)成分，從E-408Ⅰ使用的工況條件看，使用工藝環(huán)境良好。而更新的16Mn材質(zhì)中S的含量、硫化物分布、P的含量以及它們的顯微組織要求較高，P和S含量，最好能控制P小于0.08%，S小于0.02%，這樣，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性會(huì)大大降低。同時(shí)16Mn對熱處理也有一定的要求，不像20號(hào)碳鋼那樣可以不做要求。也就是說16Mn材質(zhì)對制造要求較多，在不作為壓力容器制造的情況下其熱處理、殘余應(yīng)力、關(guān)鍵有害元素含量容易被忽視，而這

些因素在E-408 I的振動(dòng)大的操作環(huán)境中恰好易產(chǎn) 生微振腐蝕。

表4 E-408Ⅰ換熱管材質(zhì)化學(xué)成分列表 w，%

5.4 操作中汽液夾帶導(dǎo)致微振腐蝕加速

由于流體(飽和熱水)在殼程中的流動(dòng)，產(chǎn)生共振效應(yīng)，產(chǎn)生微振腐蝕。而由于操作控制上的原因，導(dǎo)致流體中汽液夾帶加劇了管子的振動(dòng)，從而加劇了與折流板間的磨損，導(dǎo)致失效過程加劇，故障率升高。所以，工藝控制操作，有效杜絕汽液夾帶現(xiàn)象，減少振動(dòng)，從而減少與折流板間的磨損有利于減少故障泄漏。同時(shí)，制作換熱器過程中最大限度減少折流板與管子間縫隙，減少磨損，也是減少故障泄漏的重要因素之一。

6 防腐蝕措施和建議

(1)從操作上來說，要降低殼程的使用溫度，減少汽液相的共生共存，以減少共振。

(2)增加涂料保護(hù)。涂料保護(hù)具有一定的彈性，對周期性的振動(dòng)起到阻尼作用，吸收由于振動(dòng)帶來的周期性應(yīng)力，可有效降低微振腐蝕和腐蝕疲勞。所采用的涂層，應(yīng)考慮耐沖擊、抗沖刷、耐水腐蝕，且有一定柔韌性并耐溫在150℃以上，或采取滲鋅加涂層聯(lián)合防腐蝕的方法，可大大延長管束的使用壽命，提高設(shè)備抗腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的概率［3］。

(3)增加換熱器加工精度，減少折流板與管束之間的空隙，也可以采取折流板熱浸鍍鋁或固體包埋滲鋁的方法減少折流板與管束之間的縫隙。

(4)殼程折流板之間增加Al-Zn-In-Si犧牲陽極塊，犧牲陽極間歇放出的氫氣和微電子流可以減少金屬管束發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，增加抵御應(yīng)力腐蝕開裂的使用風(fēng)險(xiǎn)和概率。犧牲陽極安裝采用焊接方式，將犧牲陽極鐵芯與管束折流板接觸部位均勻焊滿，嚴(yán)禁產(chǎn)生假焊現(xiàn)象，并將焊渣清除干凈，嚴(yán)禁犧牲陽極表面污染油污等。

(5)由于16Mn存在應(yīng)力腐蝕敏感性，在采取退火等手段仍無法降低其硬度的情況下不宜使用該材質(zhì)做E-408 I管束，在介質(zhì)沒有腐蝕性的情況下，20號(hào)碳鋼材質(zhì)比較好。

［1］上海交通大學(xué).金相分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1997:67.

［2］化學(xué)工業(yè)部化工機(jī)械研究院.腐蝕與防護(hù)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1991:93.

［3］比勒H E，維斯滕貝格 D.合理的防腐蝕設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1990:109.

Analysis of Stress Corrosion Failure of High－pressure Unit and Prevention

Bai Ying
PetroChina Daqing Petrochemical Company(Daqing，Helongjiang 163714)

As frequent leaking occurred in the heat exchanger(E408I)in HP unit，the corrosion failure of heat exchanger tubes were analyzed based upon operating conditions.The conditions and factors resulting in stress corrosion cracking of tubes are located by special testing and analysis techniques，and causes of higher trouble rates of replaced equipment are analyzed in respect of materials.The results of analysis and associated recommendations can serve as the reference for stress corrosion protection of tube bundles of operating heat exchangers and replaced heat exchangers.

heat exchanger，stress corrosion，vibration，failure，analysis

TE985

A

1007－015X(2011)04－0061－04

2010－11－ 20;

2011－07－12。

柏影(1974-)女，1998年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，曾在該公司塑料廠聚丙烯裝置和高壓聚乙烯裝置負(fù)責(zé)設(shè)備管理工作，現(xiàn)為該公司塑料廠機(jī)動(dòng)科設(shè)備主管，負(fù)責(zé)防腐、熱工和靜設(shè)備管理。E-mail:baiying@petrochina.com.cn