板式換熱器頂板腐蝕泄漏原因分析

(中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司,江蘇 南京 210048)

1 泄漏情況

某公司常減壓蒸餾裝置常壓塔頂換熱器E-2101B為板式換熱器，板片材質(zhì)為鈦材，型號(hào)為CPX75。E-2101B殼程介質(zhì)為原油，設(shè)計(jì)壓力為2.7 MPa，設(shè)計(jì)溫度為112 ℃，最高工作壓力為1.9 MPa，實(shí)際工作溫度為40～92 ℃；管程介質(zhì)為常頂油氣，設(shè)計(jì)壓力為1.9 MPa，設(shè)計(jì)溫度為270 ℃，實(shí)際工作壓力為0.1 MPa，實(shí)際工作溫度為90～137 ℃。

2017年7月，E-2101B正式投入使用，2018年9月對(duì)該設(shè)備清洗維護(hù)，在板束射流清洗完回裝投運(yùn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)泄漏。整個(gè)設(shè)備共有8塊小頂板，其中僅1塊頂板發(fā)生泄漏，泄漏區(qū)長(zhǎng)度為該塊頂板長(zhǎng)度的1/2，見(jiàn)圖1。

圖1 E-2101B頂板泄漏形貌

2 泄漏原因分析

2.1 宏觀分析

頂板泄漏區(qū)局部腐蝕已穿透板壁(編號(hào)為1號(hào)樣品)，其他區(qū)域發(fā)生腐蝕但未穿透板壁(編號(hào)為2號(hào)樣品)，見(jiàn)圖2。根據(jù)腐蝕特征可以判斷腐蝕起源于換熱器與管程介質(zhì)常頂油氣接觸的表面，在頂板腐蝕區(qū)域表面有黃褐色腐蝕產(chǎn)物。

圖2 E-2101B頂板泄漏宏觀形貌

2.2 金相組織分析

分別垂直于腐蝕區(qū)域截取1號(hào)、2號(hào)樣品剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨和拋光，置于顯微鏡下觀察，觀察結(jié)果見(jiàn)圖3。1號(hào)和2號(hào)樣品的泄漏區(qū)腐蝕產(chǎn)物均呈層狀分布，腐蝕沿α相晶粒發(fā)展，基體顯微組織均為單相α鈦。

圖3 頂板樣品的金相組織

2.3 微觀形貌分析

分別將1號(hào)樣品和2號(hào)樣品置于掃描電鏡(SEM)下觀察，圖4為1號(hào)樣品泄漏區(qū)表面的SEM形貌?？梢钥闯觯辞逑葱孤﹨^(qū)表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，清洗后泄漏區(qū)形貌為鱗狀剝離特征，局部未被腐蝕產(chǎn)物覆蓋處為沿晶+穿晶形貌。圖5為2號(hào)樣品腐蝕區(qū)表面的SEM形貌?？梢钥闯觯g區(qū)呈鱗狀剝落特征，其他腐蝕區(qū)表面未見(jiàn)明顯的腐蝕。

圖4 1號(hào)樣品泄漏區(qū)的SEM形貌

圖5 2號(hào)樣品泄漏區(qū)的SEM形貌

2.4 力學(xué)性能和硬度檢測(cè)

截取泄漏頂板部分加工成拉伸試樣，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 頂板力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

結(jié)果顯示，泄漏頂板試樣的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度滿足GB/T 14845—2007《板式換熱器用鈦板》的規(guī)定值，而伸長(zhǎng)率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

分別截取泄漏區(qū)和未泄漏區(qū)部位頂板作為硬度試樣，采用9.807 N試驗(yàn)力進(jìn)行維氏硬度檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 頂板維氏硬度檢測(cè)結(jié)果

結(jié)果顯示，頂板折彎處的硬度較高，泄漏區(qū)的硬度略高于未泄漏區(qū)的硬度。

2.5 能譜分析

對(duì)1號(hào)、2號(hào)樣品腐蝕區(qū)域表面元素進(jìn)行能譜定性及半定量分析，結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。清洗前泄漏表面不同部位產(chǎn)物中除基體元素Ti以外均含有O，Al，Si，S，Cl，K，Ca和Fe等元素。能譜分析結(jié)果顯示，產(chǎn)物中主要腐蝕性元素為S和Cl，在泄漏區(qū)域不同部位存在Fe元素。腐蝕產(chǎn)物剖面線掃描顯示存在S，Cl和Fe等元素(見(jiàn)圖8)。

圖6 1號(hào)樣品泄漏區(qū)能譜分析結(jié)果

圖7 2號(hào)樣品泄漏區(qū)能譜分析結(jié)果

3 腐蝕原因分析

局部腐蝕穿孔引起E-2101B頂板泄漏，泄漏區(qū)域的宏觀和微觀特征顯示為表面脆化和鱗片狀剝落。能譜分析結(jié)果顯示，鱗片狀產(chǎn)物中含有S，Cl腐蝕性元素和鐵元素；泄漏區(qū)的硬度高于未泄漏區(qū)。這些分析結(jié)果表明，吸氫所導(dǎo)致的表面脆化和鱗片狀剝落是造成換熱器腐蝕穿孔失效的主要原因。

圖8 腐蝕產(chǎn)物線掃描元素分布

發(fā)生吸氫脆化剝落的主要原因是E-2101B在制造或安裝過(guò)程中局部區(qū)域發(fā)生了鐵污染， 鐵污染對(duì)鈦設(shè)備造成的危害是通過(guò)電化學(xué)腐蝕過(guò)程而作用到設(shè)備上的。

在特定介質(zhì)中，鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能， 但如果遇到鈦表面的鐵污染，且當(dāng)鈦表面具有氧化膜時(shí)， 使其具有了惰性， 從而使鈦成為電偶腐蝕中的陰極，而鐵則成為陽(yáng)極，于是形成了電偶腐蝕。此時(shí)具有氧化膜的鈦表面發(fā)生析氫腐蝕，造成氫脆。

在制造過(guò)程中，被鐵污染處的鈦鈍化膜破壞，而表面具有鈍化膜的鈦與未被鈍化膜覆蓋的鈦的電極電位是不同的， 從而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。另外，當(dāng)鈦處于活態(tài)時(shí)， 由于鈦的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(-1.63 V)比鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(-0.44 V)低，鈦會(huì)加速腐蝕。

鈦非常容易吸收氫、氧和氮，特別是氫。因?yàn)闅湓映叽缧。瑪U(kuò)散速度較快，即使溫度不高時(shí)也容易被鈦吸收，生成氫化鈦(TiH2)，導(dǎo)致鈦脆化，從而使鈦發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生晶間應(yīng)力，進(jìn)而形成裂紋。

4 結(jié) 論

換熱器鈦板在制造或安裝過(guò)程中局部區(qū)域發(fā)生了鐵污染，在環(huán)境介質(zhì)作用下，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料吸氫，使其表面脆化和鱗片狀剝落，這是造成E-2101B板式換熱器頂板腐蝕穿孔、進(jìn)而泄漏失效的主要原因。