高壓換熱器爆管的原因分析

谷 虹，柴慶友，馬 卓

（中國寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

我公司在2007年為某加氫項目設計一臺“低分油-補充精制反應產(chǎn)物換熱器”位號E-1103，該換熱器為高低壓螺紋鎖緊環(huán)U形管式換熱器，設備直徑為φ800，管束公稱長度為5 000 mm，換熱管規(guī)格為φ19×2。管程設計壓力為17.59 MPa，設計溫度為392 ℃，殼程設計壓力為0.98 MPa，設計溫度為330 ℃。管程介質(zhì)為反應產(chǎn)物、氫氣、硫化氫，殼程介質(zhì)為低分油、氫氣、硫化氫。根據(jù)納爾遜曲線[1]管箱及管板選用 2.25Cr-1Mo鍛件堆焊E309L+E347，換熱管采用0Cr18Ni10Ti。

該臺換熱器在加氫裝置正常停產(chǎn)期間熱氫氣即將結束時，突然發(fā)生殼程壓力急劇升高現(xiàn)象。對設備進行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)是由于換熱管爆裂所致，有的換熱管直管段與彎管段的過渡區(qū)除了有肉眼可見的裂紋外，還有許多“芝麻口”裂紋，少部分直管段上有裂紋，同時管子的外表面還有已經(jīng)腐蝕的小麻坑。將爆管和有裂紋的彎管取樣委托第三方對樣品進行化學成分、力學性能、腐蝕產(chǎn)物和金相鑒定，分析裂紋的形成原因。1#管為爆管，2#和3#為彎管部位有裂紋的管。

1 宏觀檢查

1.1 1#樣品

1#樣品表面覆蓋紅棕色的腐蝕產(chǎn)物，裂紋沿縱向開裂，壁厚未見減薄，爆管段最大開口度為38mm，在縱向裂紋上有明顯的磨削痕跡，并且管子爆管開裂的位置是在磨削痕跡帶上，裂紋兩側有多條橫向的小裂紋。裂開的斷口銹蝕比較嚴重，斷口上未見明顯變形，屬于脆性斷裂。

1.2 2#和3#樣品

2#和3#樣品均取彎管段變形的過渡部位，裂紋均產(chǎn)生在外弧側，表面有多條“芝麻口”裂紋，3#樣品表面有銹蝕和麻坑。

2 化學成分分析

分別取 1#和 2#樣品作化學成分分析，分析結果見表1。

3 力學性能測試結果

在直管段部位制備力學性能試樣，測得的結果見表2。

表1 1#和2#樣品化學成分[2,3]Table 1 The chemical composition of sample 1#,2# %

表2 換熱管力學性能[2]Table 2 Mechanical properties of tube

4 斷口形貌及腐蝕產(chǎn)物成分分析

將1#樣品和2#樣品的斷口用掃描電鏡分析，結果如下。

4.1 1#樣品（見圖1）[4]

斷口表面覆蓋較厚腐蝕產(chǎn)物，無法觀察到仔細的斷裂形貌，經(jīng)能譜分析，腐蝕產(chǎn)物中含有O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Cl等化學元素，經(jīng)半定量分析結果可以看到Na、Mg、Al、Ca來自自來水的可能性較大，可能是設備拆卸后遇到水的原因，S、Cl可能來自殼程介質(zhì)中分解出的腐蝕性物質(zhì)，其它Ti、Cr、Mn、Fe、Ni則是管子的基本材料組成。

圖1 1#樣品斷口形貌Fig.1 Rupture shape of sample 1#

4.2 2#樣品（見圖2）[4]

(a)圖是斷口的低倍形貌，從圖上可以看到斷口沒有明顯變形，說明是脆性斷裂。

(b)圖是斷口擴展區(qū)的形貌，斷口上覆蓋較多的腐蝕產(chǎn)物。

(c)圖是斷口區(qū)域上腐蝕產(chǎn)物較少的區(qū)域，斷口是解理斷口，說明管束的斷裂是脆性斷裂。

(d)圖是壓開的斷口形貌，斷口全部是韌窩形貌，說明材料本身的韌性較好。

圖2 2#樣品斷口形貌Fig.2 Rupture shape of sample 2#

5 金相檢驗

圖3 1#樣品顯微組織和裂紋形貌Fig.3 Microscopic structure and crack shape of sample 1#

圖4 1#樣品基體顯微組織形貌Fig.4 The microstructure morphology of sample 1#

1#樣品取自表面有磨痕的區(qū)域，磨取橫截面的金相，腐蝕前觀察，表面有腐蝕坑和集中分布的裂紋，裂紋呈樹枝狀分布。腐蝕后顯微組織和裂紋的形貌見圖 3。從圖上可以看到磨損區(qū)的表層有一層形變馬氏體，這個區(qū)域的長度恰好在磨損的寬度范圍內(nèi)，形變馬氏體層較深，裂紋均從形變馬氏體層產(chǎn)生，由形變層向基體內(nèi)部擴展，裂紋呈分叉式、穿晶擴展，這種裂紋形態(tài)符合應力腐蝕裂紋特征。1#基體的顯微組織為奧氏體組織，表層為形變誘發(fā)馬氏體，基體有析出的碳化物（見圖4）。

2#樣品的表面均在直段和弧形的過渡段，表面有多條裂紋，并且裂紋呈分叉分布，侵蝕后裂紋均為沿穿晶裂紋（見圖5），從裂紋形態(tài)擴展可以判斷裂紋屬于應力腐蝕裂紋。

圖5 2#樣品顯微組織和裂紋形貌Fig.5 The microstructure morphology and crack shape of sample 2#

6 結論及原因分析

1#和 2#樣品的化學成分和力學性能符合《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》GB13296-2007的規(guī)定。1#和2#樣品的裂紋均屬于應力腐蝕裂紋，但這兩種裂紋形成的原因有差異。1#樣品的裂紋是從磨損區(qū)部位產(chǎn)生，沿磨損條帶產(chǎn)生無數(shù)條裂紋。磨損表層為形變誘發(fā)馬氏體組織，這種組織對介質(zhì)敏感，易產(chǎn)生腐蝕。而斷口上腐蝕產(chǎn)物主要是硫和氫引起應力腐蝕開裂，這些物質(zhì)主要來源于殼程的物料分解產(chǎn)物。因此，當這個區(qū)域的裂紋擴展到一定深度后，承受不了內(nèi)壓，沿磨損條帶產(chǎn)生爆裂，形成縱向爆裂裂紋。2#樣品的裂紋是沿環(huán)向由表面向內(nèi)部擴展，裂紋的部位主要是在直管段和弧形段的過渡段。這可能與管子變形后，變形部位的應力沒有充分消除有關。產(chǎn)生應力腐蝕要具備兩個基本條件：1）引起應力腐蝕的拉應力2）特定的腐蝕環(huán)境。因此，2#樣品的裂紋形成與彎管成型后應力沒有充分消除有關。

7 建 議

（1）原料油品的化學成分要準確，定期對原料油樣品進行化學分析，以便在原料油性質(zhì)與設計出入較大時及早制定應對措施。

（2）對此類工藝設計在設備材質(zhì)選擇時，應盡量提高等級，如換熱管采用 316L或更高級的Incoloy625材料，以提升抗腐蝕能力[5]。

（3）設備制造過程中，需嚴格執(zhí)行制造工藝，嚴格控制固溶熱處理的溫度，完善和認真執(zhí)行熱處理工藝，必要時關鍵工藝要高于相關技術規(guī)范的要求。注意保護設備在制造過程中避免碰傷、劃傷。

（4）設備使用廠家應適當加大監(jiān)理投入，進一步加強設備現(xiàn)場監(jiān)造力度。

［1］SH/T3075-2009，石油化工鋼制壓力容器材料選用規(guī)范[S].

［2］GB13296-2007,鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管[S].

［3］GB151-1999,管殼式換熱器[S].

［4］陳國理，吳澤煒.壓力容器及化工設備[M].廣州：華南理工大學出版社，1990.

［5］丁伯民，黃正林.高壓容器[M].北京:化學工業(yè)出版社，2003.