裂紋金相分析法在塔頂冷凝器換熱管中的應(yīng)用

蔡立春

（大慶石油化工機(jī)械廠，黑龍江 大慶 163021）

1 冷凝器概況

E-102冷凝器為U型管式換熱器，規(guī)格ф900×8×4611mm，殼體材質(zhì)為Q235B，換熱管材質(zhì)為TP304。運(yùn)行參數(shù)：操作壓力：殼程-0.084MPa，管程0.454MPa；操作溫度：殼程入口113℃，出口60℃；管程入口32℃，出口38℃；介質(zhì)：殼程碳十芳烴，管程循環(huán)水。

2 宏觀檢查及無損探傷

檢測(cè)的主要結(jié)果為：

（1）1#管段存在1處顯性宏觀裂紋，基本呈環(huán)向，長(zhǎng)度接近換熱管周長(zhǎng)的4/5，裂紋張口較大，最大處1.52mm，裂紋大部已穿透壁厚；VT、PT另檢出10處隱性較小裂紋；內(nèi)壁查出5處蝕坑（圖1、2）。

圖1 1#管宏觀裂紋

圖2 1#管部分小裂紋

圖3 2#管宏觀裂紋

圖4 2#管部分小裂紋

（2）2#管段存在1處顯性宏觀裂紋，基本呈環(huán)向，長(zhǎng)度約40mm，裂紋最大張口0.5mm，裂紋有分支，裂紋大部分已穿透壁厚；另檢出6處較小裂紋；內(nèi)壁有7處蝕坑，較大的直徑ф3.32，3.67mm（圖3、4）。

圖5 3#管裂紋敲擊后形貌

圖6 前圖裂紋斷口

（3）3#管段查出隱性裂紋11處，基本呈環(huán)向，裂紋大多接近穿透壁厚；查出19處點(diǎn)蝕，最大直徑ф5.2mm，接近穿透壁（圖5、6）。

表1 換熱管直徑與壁厚測(cè)量結(jié)果（mm，精度0.01mm）

檢測(cè)顯示：

（1）E-102冷凝器換熱管損傷較嚴(yán)重，不到1m范圍內(nèi)，查出30余處裂紋（2處嚴(yán)重泄漏）和30余處蝕坑（有的已接近穿透壁厚）。裂紋大多已穿透壁厚，只是因?yàn)榇蠖鄶?shù)小裂紋縫隙細(xì)小、又被腐蝕產(chǎn)物堵塞，介質(zhì)尚未明顯泄漏。

（2）查出的所有裂紋與坑狀腐蝕均發(fā)生在管內(nèi)壁，即裂紋和坑蝕均起源于內(nèi)壁，部分裂紋斷口。

（3）換熱管內(nèi)壁堆積物較厚或管內(nèi)被堵塞（結(jié)垢、結(jié)焦）的部分，損傷就嚴(yán)重，受檢的三管段堵塞嚴(yán)重（1#、2#、3#管，開裂和坑蝕就嚴(yán)重；未有明顯堵塞的管段（4#管），損傷就較輕（圖7～9）。

圖7 1#管口

圖8 1#管內(nèi)堵塞物

圖9 4#管內(nèi)狀況

（4）U型管彎曲管段是裂紋高發(fā)區(qū)，而且裂紋主要起始于管受拉伸變形嚴(yán)重的部分（U型管外沿），裂紋終止于管受壓縮變形的部分。裂紋幾乎都是環(huán)向的，顯然，與加工殘余應(yīng)力峰值方向垂直。

（5）換熱管存在大量不在一個(gè)平面內(nèi)的環(huán)向裂紋，顯示裂紋的多源性，不少裂紋起始于小蝕坑的底部。

（6）宏觀看到，裂紋有分枝。

3 直徑與壁厚測(cè)量

對(duì)4個(gè)管段直徑與壁厚測(cè)量值列于表1。

測(cè)量結(jié)果顯示：1#管直徑范圍為18.23～19.18mm，壁厚范圍為1.75～1.86mm；2#管直徑范圍為18.70～19.17mm，壁厚范圍為1.77～1.86mm；3#管壁厚范圍為1.78～1.84mm；4#管壁厚范圍為1.72～1.87mm。

從4個(gè)管段壁厚范圍，斷口區(qū)與管端壁厚相比，沒有顯著差別，可見換熱管裂紋屬脆性開裂。

4 裂紋金相觀察

對(duì)換熱管裂紋和材料組織進(jìn)行金相顯微觀察，觀察顯示：

侵蝕前后裂紋的形態(tài)、特征基本一致；裂紋從管內(nèi)壁起始；裂紋有兩種形態(tài)：一種為相對(duì)獨(dú)立的深裂紋，不少已穿透壁厚；另一種為管內(nèi)壁、范圍較大、表層網(wǎng)狀沿晶淺裂紋，深度大致在150μm左右。造成換熱管泄漏失效的主要是前一種裂紋；裂紋多源；裂紋多分支；對(duì)深裂紋，斷裂機(jī)制為穿晶型；對(duì)網(wǎng)狀淺表裂紋，開裂機(jī)制為沿晶型；對(duì)深裂紋，裂紋前端尖細(xì)，屬擴(kuò)展中的動(dòng)態(tài)裂紋，屬運(yùn)行中不斷產(chǎn)生、不斷擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)裂紋；對(duì)淺表裂紋，似沿晶氧化腐蝕形成，其周圍有增碳（滲碳）跡象，管內(nèi)有焦層；換熱管材料組織正常，為奧氏體+孿晶奧氏體（圖10～14）。

圖10 裂紋形貌（拋光，未浸蝕）

圖11 裂紋形貌

圖12 裂紋形貌

圖13 管內(nèi)壁表面裂紋

圖14 換熱管顯微組織

5 裂紋成因

（1）介質(zhì)中含有Cl-、H2S(化工介質(zhì)中，S主要以H2S形式存在)，并存在集聚濃縮的條件，是引發(fā)材質(zhì)為18-8型奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的首要條件。

能譜分析證實(shí)，查出的所有裂紋間隙腐蝕產(chǎn)物中Cl-離子含量都較高，也都含有H2S。

在運(yùn)行條件下（0.454MPa，32～38℃），介質(zhì)中的Cl-或H2S均能誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂，前者以穿晶機(jī)制開裂，后者以沿晶機(jī)制開裂。當(dāng)Cl-、H2S同時(shí)存在，即使Cl-離子含量較少，Cl-離子總是誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的主導(dǎo)因素，開裂機(jī)制也由Cl-離子（穿晶，而不是沿晶）主導(dǎo)，H2S僅起輔助或加速作用。

（2）換熱管結(jié)垢、結(jié)焦、堵塞造成腐蝕性介質(zhì)在管內(nèi)一些區(qū)域（如垢下）的集聚、濃縮，是引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂和坑狀腐蝕的重要因素。

檢查顯示，四根管樣中，其中三根管內(nèi)結(jié)垢（結(jié)焦）、堵塞嚴(yán)重的，開裂都很嚴(yán)重，還存在坑狀腐蝕；另一根管內(nèi)附著物較少的，開裂和腐蝕就輕微得多。

工程實(shí)踐證明，介質(zhì)流向、流速不斷變化的彎管區(qū)容易造成介質(zhì)中雜質(zhì)沉積、結(jié)垢與堵塞，是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕與局部腐蝕的高發(fā)區(qū)。

（3）U型管彎管區(qū)，特別是受拉伸變形的部分，材料組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在加工硬化，存在較高的殘余應(yīng)力，是造成換熱管應(yīng)力腐蝕開裂的另一重要原因，甚至是關(guān)鍵因素。裂源都分布于U形管拉伸變形最嚴(yán)重的外沿就是最有力的證明。

由上看出，U型管彎管區(qū)既是容易結(jié)垢與堵塞造成腐蝕介質(zhì)集聚濃縮的區(qū)域，又是存在變形與殘余應(yīng)力的區(qū)域，有時(shí)還存在加工缺陷，因此，應(yīng)力腐蝕裂紋往往集中在此區(qū)中。

（4）換熱管內(nèi)壁淺表沿晶網(wǎng)狀裂紋，不是該冷凝器（E-102）運(yùn)行過程中產(chǎn)生，也不是導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏失效的直接原因或主導(dǎo)因素，但他們的存在，可能成為腐蝕介質(zhì)（Cl-離子）集聚濃縮的地方，從而成為滋生坑狀腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的裂源。