不銹鋼換熱管U形部位開裂分析

孫 濤 王齊紅 王海平 蘇婷婷

(1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司 化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心；2.石油天然氣蘭州工程質(zhì)量監(jiān)督站)

不銹鋼換熱管U形部位開裂分析

孫 濤*1王齊紅2王海平1蘇婷婷1

(1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司 化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心；2.石油天然氣蘭州工程質(zhì)量監(jiān)督站)

針對某石化廠換熱器運(yùn)行較短時(shí)間后多根換熱管U形部位出現(xiàn)環(huán)向開裂的現(xiàn)象，在開裂換熱管開裂部位與遠(yuǎn)離開裂部位分別取樣，通過宏觀檢查、光譜分析、顯微硬度分析、金相分析、斷口掃描電鏡形貌和能譜分析，得出該換熱管的開裂原因?yàn)椋簱Q熱管在含氫環(huán)境下，產(chǎn)生大量氫致馬氏體，導(dǎo)致產(chǎn)生氫致裂紋；裂紋在擴(kuò)展的過程中，S、Cl-及非金屬夾雜物的存在對開裂起到了一定的促進(jìn)作用，最終發(fā)生開裂。

換熱管 U形部位 氫致開裂 應(yīng)力腐蝕開裂

某石化廠的柴油加氫精制裝置高壓換熱器于2014年9月投用，運(yùn)行僅半年后，換熱器出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏，檢修發(fā)現(xiàn)多根換熱管U形部位出現(xiàn)環(huán)向開裂，直接影響生產(chǎn)，更換管束具有較高的成本。筆者在開裂換熱管的開裂部位和遠(yuǎn)離開裂部位分別取樣進(jìn)行分析，探討了該換熱管的失效原因，同時(shí)為避免此類失效發(fā)生提出了建議。

1 柴油加氫精制裝置換熱器運(yùn)行工況

表1 為柴油加氫精制裝置換熱器的主要技術(shù)參數(shù)，該換熱器管束的材料為0Cr18Ni10Ti，規(guī)格為φ20mm×2.5mm。

表1 換熱器主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)分析

2.1宏觀檢查

現(xiàn)場觀察可知，多根換熱管U形部位發(fā)生環(huán)向開裂，換熱管U形部位存在一條開口寬度約為1.5mm的環(huán)向裂紋，斷口平齊，無明顯塑性變形。換熱管外壁呈灰黑色，無腐蝕坑，無腐蝕產(chǎn)物(圖1a)；內(nèi)壁光滑，無腐蝕產(chǎn)物(圖1b)。在換熱管遠(yuǎn)離開裂區(qū)和開裂區(qū)分別取金相分析樣品和SEM形貌及EDS分析樣品。將SEM形貌及EDS分析樣品打斷，對比分析打斷的新鮮斷口與開裂區(qū)的形貌和成分。

2.2光譜分析

開裂換熱管光譜分析結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)要求見表2，可以看出，Ti元素含量略低于GB 13296-2007的要求，其余元素含量均符合要求。

表2 開裂換熱管光譜分析及標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果 wt%

2.3顯微硬度分析

采用美國Wilson顯微硬度計(jì)對金相樣品徑向截面的近外壁、1/2厚度以及近內(nèi)壁區(qū)進(jìn)行顯微硬度分析，結(jié)果見3，可見換熱管近內(nèi)壁區(qū)的硬度明顯高于近外壁區(qū)和1/2厚度區(qū)。

表3 換熱管的顯微硬度分析結(jié)果(HV)

2.4金相分析

遠(yuǎn)離開裂區(qū)的非金屬夾渣物形貌如圖2所示，根據(jù)GB/T 10561-2005，夾雜物級別分別為A類1.0級、B類1.0級、C類0級、D類2.5級、DS類0級。

圖2 非金屬夾雜物形貌 ×100

圖3為遠(yuǎn)離開裂區(qū)的徑向截面組織照片，近外壁區(qū)與1/2厚度區(qū)組織相近，由灰色組織與黑色組織組成，且內(nèi)壁組織較外壁細(xì)小，如圖3a所示。近外壁區(qū)與1/2厚度區(qū)中的灰色組織為奧氏體，黑色組織為馬氏體，即奧氏體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量馬氏體，馬氏體形貌不太明顯，如圖3b、c所示。由于近內(nèi)壁區(qū)組織細(xì)小，因此采用掃描電鏡對組織進(jìn)行SEM形貌分析。同時(shí)，為進(jìn)行對比分析，近外壁區(qū)也進(jìn)行了SEM形貌分析，如圖4所示，可見近內(nèi)壁區(qū)組織以馬氏體為主，含有奧氏體+鐵素體，近外壁區(qū)組織以奧氏體為主，同時(shí)含有馬氏體+鐵素體。

圖3 遠(yuǎn)離開裂區(qū)的徑向截面組織

圖4 遠(yuǎn)離開裂區(qū)徑向截面組織SEM形貌

圖5為遠(yuǎn)離開裂區(qū)的軸向截面組織照片，基于徑向截面的金相分析可知，軸向截面組織為奧氏體+馬氏體+鐵素體。馬氏體呈嚴(yán)重的帶狀分布(圖5a)。圖5b中馬氏體形貌特征明顯，為板條狀。

圖5 遠(yuǎn)離開裂區(qū)軸向截面金相組織

圖6為近內(nèi)壁區(qū)微裂紋形貌，由圖6a可知，徑向截面存在由內(nèi)壁向外壁沿厚度方向穿晶和沿晶擴(kuò)展的微裂紋。裂紋光滑平直，局部存在分叉現(xiàn)象，為典型的氫致開裂特征，并伴有應(yīng)力腐蝕開裂特征。軸向截面的內(nèi)壁亞表面層存在大量微裂紋，如圖6b所示。

圖6 遠(yuǎn)離開裂區(qū)微裂紋形貌 ×400

2.5SEM形貌以及EDS分析

2.5.1SEM形貌分析

采用日本電子JSM-6510掃描電鏡分別對開裂區(qū)、過渡區(qū)及打斷區(qū)進(jìn)行微觀分析，如圖7所示。圖7a、b為開裂區(qū)的斷裂形貌，斷口呈冰糖狀，為沿晶破壞，表面存在大量腐蝕產(chǎn)物；圖7c、d為開裂區(qū)與打斷區(qū)的過渡區(qū)(裂紋尖端)斷裂形貌，呈準(zhǔn)解理斷裂特點(diǎn)；圖7e、f為打斷區(qū)的斷裂形貌，呈現(xiàn)韌窩花樣，存在爪狀的撕裂棱以及二次裂紋，為常見氫致開裂的特點(diǎn)[1]；由圖7g可知換熱管U形部位內(nèi)壁存在多處開裂，并沿厚度方向擴(kuò)展；圖7h為內(nèi)壁裂紋深處形貌, 呈準(zhǔn)解理斷裂特征, 且存在二次裂紋。根據(jù)上述斷口掃描電鏡分析結(jié)果，可以確定換熱管開裂是以氫致開裂為主的損傷機(jī)理。

圖7 斷口典型區(qū)域的SEM形貌照片

2.5.2EDS分析

表4給出了開裂區(qū)腐蝕產(chǎn)物和打斷區(qū)的能譜分析結(jié)果，分析可知，開裂區(qū)腐蝕產(chǎn)物中Cl、O和S含量很高，表明產(chǎn)物中含有大量的氧化物和硫化物；打斷斷口的O、 S和Cl含量較高，表明介質(zhì)中大量的O、S、Cl已擴(kuò)散到換熱管內(nèi)部。

表4 開裂區(qū)腐蝕產(chǎn)物和打斷區(qū)的EDS分析結(jié)果 wt%

3 討論

根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果分析可知，不銹鋼換熱管處于柴油、水、H2S、NH4Cl和過剩的氫混合介質(zhì)環(huán)境下，這種濃縮氫環(huán)境，導(dǎo)致?lián)Q熱管組織發(fā)生劣化，產(chǎn)生了大量呈帶狀分布的氫致馬氏體，進(jìn)而降低了換熱管的綜合性能，并于氫致馬氏體處萌生微裂紋，裂紋在擴(kuò)展的過程中，介質(zhì)中的S、Cl-擴(kuò)散到換熱管內(nèi)部，引起的應(yīng)力腐蝕對開裂起到了一定的促進(jìn)作用；同時(shí)，材料中大量的非金屬夾雜物引起的氫致開裂，也對開裂起促進(jìn)作用，最終發(fā)生開裂。

4 結(jié)束語

裂紋起源于內(nèi)壁和其亞表面，斷口呈現(xiàn)沿晶開裂逐漸過渡到準(zhǔn)解理斷裂特征。 換熱管開裂是以氫致開裂為主的損傷機(jī)理，即換熱管在含氫環(huán)境下，產(chǎn)生大量氫致馬氏體，導(dǎo)致產(chǎn)生氫致裂紋；裂紋在擴(kuò)展的過程中，S、Cl-及非金屬夾雜物對開裂起到了一定的促進(jìn)作用，最終發(fā)生開裂。建議選用穩(wěn)定性較高的奧氏體不銹鋼，如316L，換熱管在冷彎處理后，U形部位要進(jìn)行充分的固溶熱處理。

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*孫 濤，男，1981年3月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ051.5

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0254-6094(2016)03-0416-05

2016-03-11，

2016-03-17)