煤制甲醇廢熱爐頻繁爆管失效分析

胡玉龍 劉建江 李豐泉 劉長福 王英杰 韓繼鵬

（1．內(nèi)蒙古自治區(qū)鍋爐壓力容器檢驗研究院 呼和浩特010020）

（2．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 呼和浩特 010051）

（3．內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院 呼和浩特 010020）

廢熱爐是石化行業(yè)廣泛使用的余熱回收設(shè)備，由于換熱介質(zhì)多含有硫化氫、二氧化碳及其他酸性氣體，實際工作環(huán)境十分惡劣，腐蝕、泄漏、爆管時有發(fā)生，不僅影響企業(yè)正常生產(chǎn)，有時還會造成重大的意外事故。因此，針對廢熱爐爆管事故進(jìn)行失效分析和對策研究很有必要。

1 爆管概況

內(nèi)蒙古某煤化工企業(yè)一臺廢熱爐，結(jié)構(gòu)為典型的管殼式換熱器，管程介質(zhì)為煤制甲醇變換氣，主要成分為CO、CO2、H2、H2S、N2等，殼程為鍋爐給水，換熱管（0Cr18Ni10Ti）與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹焊接形式。廢熱爐服役半年后換熱管頻繁爆裂，企業(yè)被迫采取堵管措施，累計堵管數(shù)百根，對正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。為準(zhǔn)確查找廢熱爐爆管原因，企業(yè)對該廢熱爐進(jìn)行了報廢拆解，受委托筆者對該廢熱爐頻繁爆管進(jìn)行了失效分析。

圖1為廢熱爐解體后爆管段換熱管外觀，爆口管段位于管板與第一支撐隔板間，換熱管外壁部分為紅褐色，部分為黑褐色，采用ET-556H渦流檢測儀內(nèi)檢測換熱管210根，結(jié)果顯示：換熱管與管板貼脹區(qū)含有76處缺陷，其他部位38處缺陷，未見貫穿性缺陷，渦流測厚未發(fā)現(xiàn)換熱管壁厚減薄現(xiàn)象。對非貼脹區(qū)渦流檢測缺陷部位管段進(jìn)行著色滲透檢測，發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋沿縱向延伸、不連續(xù)，但近乎直線，仔細(xì)觀察為明顯的高壓氣體沖蝕痕跡，見圖2，進(jìn)一步追蹤檢查發(fā)現(xiàn)，所有抽查裂紋管貼脹區(qū)均存在渦流檢測缺陷，表明換熱管與管板貼脹區(qū)出現(xiàn)了泄漏。

圖1 廢熱爐解體后外觀形貌

圖2 換熱管著色探傷縱向裂紋宏觀像

2 試驗檢測與分析

2.1 宏觀形貌觀察

對爆管管段進(jìn)行宏觀形貌觀察（見圖3），發(fā)現(xiàn)管子基本沿縱向開裂，裂紋呈階梯狀擴(kuò)展，斷口處無明顯塑性變形，壁面無點(diǎn)蝕坑，壁厚無明顯減薄，斷口處斷面與管子周向約呈90°角，為典型脆性斷口。

圖3 爆管管段宏觀形貌像

圖4管子橫截面金相組織

2.2 金相檢測與分析

自斷口處管子橫截面取樣、拋光后用光學(xué)顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋自外表面向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋末端發(fā)現(xiàn)樹根狀分叉，有應(yīng)力腐蝕裂紋的特征；對試樣腐蝕后進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)換熱管金相組織為奧氏體，見圖4。

自斷口處取樣，管子外表面拋光后觀察，視場內(nèi)有多條裂紋，裂紋末端有分枝；腐蝕后發(fā)現(xiàn)裂紋主要為穿晶型，見圖5。

圖5 爆管外表面金相組織

2.3 斷口掃描電鏡觀察

對斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)斷口處附著有大量垢狀物，清洗后，發(fā)現(xiàn)斷口呈典型解理形貌，屬于典型的穿晶脆斷斷口，且斷口上有二次裂紋，見圖6。

圖6 爆管斷口掃描電鏡形貌

對斷口及外表面垢狀物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖7、圖8及表1。斷口及管子外表面垢狀物中均存在硫、氯元素，二者易引起奧氏體應(yīng)力腐蝕。

表1 爆管斷口垢狀物X射線能譜分析結(jié)果（%）

圖7 爆管斷口能譜分析

圖8 管子外表面能譜分析

2.4 換熱管化學(xué)成分檢測

換熱管材料為0Cr18Ni10Ti，采用ICP光譜儀對換熱管化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表2，表2還列出了GB 13296—2007對換熱管的化學(xué)成分要求，表2說明換熱管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 換熱管化學(xué)成分（%）

2.5 力學(xué)性能試驗

分別從著色探傷未見裂紋的換熱管和爆裂管未見裂紋部分取樣加工力學(xué)性能試驗試樣，測量其力學(xué)性能指標(biāo)，測試結(jié)果見表3。

表3數(shù)據(jù)顯示換熱管的拉伸性能試驗指標(biāo)符合GB/T 4327—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 換熱管拉伸性能試驗結(jié)果

3 失效原因分析

由爆管斷口橫截面光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果［見圖4（a）］，可知斷口裂紋自外表面向內(nèi)擴(kuò)展，表明起裂源位于換熱管外表面，結(jié)合金相分析，斷口屬由外向內(nèi)擴(kuò)展并沿管子縱向延伸的穿晶型裂紋脆性斷口，掃面電鏡觀察呈典型解理形貌，符合奧氏體不銹鋼穿晶應(yīng)力腐蝕裂紋斷口典型特征。奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕失效環(huán)境[2]為高溫堿液；海水，海洋大氣；濃縮鍋爐水；濕潤空氣（濕度90%以上）；熱NaCl；H2SO4，HNO3混合酸水溶液；氯化物水溶液；連多硫酸溶液；高溫高壓含氧高純水；H2S水溶液等。查閱鍋爐運(yùn)行記錄從未有水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象，且殼程水介質(zhì)流程其他相同材質(zhì)換熱面均未發(fā)生爆裂及腐蝕，故可排除水質(zhì)原因?qū)е卤艿陌l(fā)生。

能譜分析結(jié)果顯示：管子外表面及斷口處存在引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的S和Cl，但宏觀檢查換熱管外表面及管板縫隙均未見氯離子點(diǎn)蝕坑，且如此大量的換熱管頻繁爆裂不可能用少量氯化物應(yīng)力腐蝕開裂來解釋，故也可排除氯離子腐蝕的成因。

廢熱爐管程介質(zhì)為發(fā)生爐變換氣（CO、CO2、H2、H2S、H2O等），工作壓力6MPa，進(jìn)出口溫度為308/153℃，殼程介質(zhì)為鍋爐給水，進(jìn)出口溫度為104/145℃。宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)爆管段換熱管外表面部分為紅褐色，部分為黑褐色，對外表面物質(zhì)能譜分析顯示含有Fe、S、O元素(見表1)，結(jié)合三種元素所有可能的化合物特性可知，外表面紅褐色物質(zhì)為三氧化二鐵，黑褐色物質(zhì)為硫化亞鐵，由于奧氏體不銹鋼在空氣環(huán)境下不會發(fā)生腐蝕行為，現(xiàn)有腐蝕行為一定是有硫元素參與的腐蝕反應(yīng)，可以判定運(yùn)行中外壁發(fā)生了奧氏體不銹鋼在濕H2S環(huán)境中的腐蝕，反應(yīng)生成的FeS在停車檢修時接觸濕空氣又會生成連多硫酸和三氧化二鐵，腐蝕機(jī)理如下：

4 結(jié)論及建議

通過上述試驗及分析，得出如下結(jié)論：

本案例換熱管頻繁爆裂屬于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂，引起腐蝕開裂的腐蝕介質(zhì)來源于管程變換氣，渦流檢測顯示換熱管與管板貼脹密封存在缺陷，宏觀檢驗也發(fā)現(xiàn)氣流沖刷換熱管外壁的痕跡，表明換熱管與管板連接接頭出現(xiàn)泄露，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)連接部位不符合GB/T 151—2014《熱交換器》中 6．6．2 及 6．6．3 的規(guī)定要求，即管孔結(jié)構(gòu)形式及尺寸偏離標(biāo)準(zhǔn)要求，致使換熱器運(yùn)行中出現(xiàn)泄漏，由于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕在低應(yīng)力狀態(tài)下即可發(fā)生，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管爆裂。

根據(jù)換熱管泄露的失效原因，提出如下建議：

1）換熱管與管板采用強(qiáng)度焊接加貼脹連接方式時，制造單位應(yīng)優(yōu)先采用先焊后脹的制造工藝，并且在脹接過程中注意減小脹接對焊道的影響；

2）制造廠家采用先脹后焊的制造工藝時，管孔結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)要嚴(yán)格符合GB/T 151—2014《熱交換器》中6．6．3．4規(guī)定要求，原先焊后脹結(jié)構(gòu)中的不脹部分應(yīng)脹至坡口根部。

3）制造廠家須嚴(yán)格按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評定 》附錄D中進(jìn)行附加工藝評定的要求完成附加工藝評定。