低壓蒸汽過熱器換熱管應(yīng)力腐蝕開裂案例分析

周超

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢 430223）

某公司煤制烯烴項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行約14 月后，其凈化裝置變換工序的低壓蒸汽過熱器換熱管發(fā)生泄漏，對(duì)泄漏管兩端封焊堵管后繼續(xù)使用，在后續(xù)運(yùn)行的16 個(gè)月內(nèi)又先后泄漏4 次，均進(jìn)行了堵管，總共堵管39 支。 隨后該設(shè)備報(bào)廢更換一臺(tái)新設(shè)備（采用原設(shè)計(jì)），投運(yùn)20 個(gè)月內(nèi)，又泄漏3 次堵管188 支。頻繁的泄漏嚴(yán)重地影響了裝置的正常運(yùn)行。

1 換熱器基本情況

換熱器參數(shù)見表1。

表1 換熱器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters for the heat exchanger

2 管束外觀檢查及管程水壓試驗(yàn)

為確定換熱管的泄漏位置，將報(bào)廢的換熱器的殼程筒體切割下來，殼程筒體切割下之后的管束整體情況見圖1。目視檢查管束，發(fā)現(xiàn)分程隔板附近一根換熱管，靠近管板側(cè)可見明顯裂口，疑似爆管，裂口形貌見圖2a，可能為早期因泄漏而堵過的換熱管編號(hào)為1#。

從管程進(jìn)行水壓試驗(yàn)。當(dāng)水壓升至8 MPa 時(shí)，發(fā)現(xiàn)管束多處有水直接噴出來，噴水位置主要集中于低壓蒸汽入口附近靠近底部鞍座側(cè)。將最外側(cè)的兩支噴水管，編號(hào)為2#，3#。

在噴水區(qū)域進(jìn)行割管，將1#，2#，3#管割下，并在該區(qū)域增加割取換熱管約10 支，外觀檢查，肉眼發(fā)現(xiàn)一支管有兩條明顯裂紋（見圖2c），另一支管上有一個(gè)明顯孔洞（見圖2e），將其分別編號(hào)為4#，5#。

將1#，2#，3#，4#，5#管送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行失效分析。

3 壁厚檢查

對(duì)1#，2#，3#管壁厚測(cè)量，結(jié)果如表 2 所示，正常位置處厚度基本為原始壁厚，破裂處的厚度數(shù)值超過 1.8 mm，說明未發(fā)生明顯的均勻腐蝕減薄，泄漏并非因整體均勻腐蝕減薄所致。

4 化學(xué)成分分析

圖1 管束形貌和泄漏位置Fig.1 The tube bundle appearance and the leaking area

表2 換熱管測(cè)厚Table 2 Thickness of tubes

根據(jù) GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，采用便攜式全定量光譜儀對(duì)1#，2#，3#換熱管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn) P 元素超標(biāo)，其他元素均符合GB 13296—2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》。采用 GB/T 223.59—2008《鋼鐵及合金 磷含量的測(cè)定 鉍磷鉬藍(lán)分光光度法和銻磷鉬藍(lán)分光光度法》對(duì)P 元素復(fù)驗(yàn)，P 含量偏高，但在 GB/T 222—2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》范圍內(nèi)。

5 裂紋和蝕孔的起源

剖開1#，4#，5#換熱管，觀察裂紋和蝕孔處內(nèi)、外表面。1#管裂紋在外壁開口大，內(nèi)壁開口小，外壁延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)；4#管裂紋處在外壁開口大，內(nèi)壁僅局部貫穿；5#管外壁蝕孔對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁位置未出現(xiàn)孔洞。說明裂紋和孔蝕均是起源于換熱管的外表面，逐漸向內(nèi)表面擴(kuò)展直至貫穿。

表3 換熱管化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of tubes %

6 形貌及能譜分析

2#管外表面宏觀和微觀形貌如圖 3a、3b 所示，存在大量腐蝕坑，在腐蝕坑周圍存在橫向裂紋，橫向裂紋與管子軸線方向呈 60°擴(kuò)展。對(duì)腐蝕坑處，裂紋打開后的斷口靠近外表面處和靠近內(nèi)表面處，分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表4。管外壁腐蝕坑和裂紋斷口的靠近內(nèi)外表面處均存在Cl、S 元素。Cl 元素可能來自殼程低壓蒸汽（冷凝液），現(xiàn)場(chǎng)分析檢測(cè)低壓蒸汽入口的冷凝液中Cl 的濃度為1.90～2.44 mg/L，低壓蒸汽出口的冷凝液中Cl 的濃度為2.89～7.62 mg/ L。管外側(cè)檢出S 元素，可能為泄漏后管內(nèi)工藝介質(zhì)串入所致。

在蝕孔周圍發(fā)現(xiàn)裂紋，且蝕孔和裂紋中均存在Cl 元素，這與氯化物應(yīng)力腐蝕通常起源于點(diǎn)蝕的說法相一致。

7 裂紋處金相組織

1#管開口裂紋附近未貫穿裂紋的表面金相照片，如圖4a；裂紋呈樹枝狀形貌、穿晶發(fā)展，金相組織為典型的奧氏體攣晶組織，裂紋附近的奧氏體晶內(nèi)有形變馬氏體組織；4#管裂紋處截面金相組織照片，如圖4b，4c；組織為奧氏體，裂紋為穿晶開裂。二者均具有奧氏體鋼應(yīng)力腐蝕開裂的特征。

圖2 取樣管裂紋或蝕孔形貌（管內(nèi)外表面）Fig.2 Cracks and Pits of sample tubes

圖3 2#管腐蝕坑及裂紋Fig.3 Pits and Crack of tube 2#

8 泄漏原因分析

泄漏沒有發(fā)生在管子與管板的焊接接頭處，也未發(fā)生在管子與管板連接的縫隙處，而是集中發(fā)生在低壓蒸汽的入口區(qū)域，并且點(diǎn)蝕和裂紋均起源于管外側(cè)，說明泄漏的原因與殼程介質(zhì)有重大關(guān)系。而殼程介質(zhì)為低壓蒸汽，理應(yīng)不會(huì)腐蝕奧氏體不銹鋼的換熱管，本項(xiàng)目低壓蒸汽為鍋爐給水所產(chǎn)蒸汽?，F(xiàn)場(chǎng)查看時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低壓蒸汽過熱器殼程低壓蒸汽入口管彎頭處的導(dǎo)淋口有較多液態(tài)水排出，說明入口低壓蒸汽帶水嚴(yán)重。氣液兩相的蒸汽進(jìn)入管束外表面后，被管內(nèi)變換氣加熱，最終轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱態(tài)，在管束外表面的一定區(qū)域會(huì)形成干濕交替的區(qū)域。氯化物會(huì)在該區(qū)域聚集濃縮，在氧的促進(jìn)作用下，使奧氏體不銹鋼換熱管產(chǎn)生點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕。

表4 能譜分析結(jié)果Table 4 EDS analysis %

圖4 裂紋處組織Fig.4 Structure of crack area

用鍋爐給水產(chǎn)蒸汽的廢熱鍋爐，由蒸汽中Cl、O 共同引起的奧氏體不銹鋼換熱管應(yīng)力腐蝕開裂泄漏的事故曾多次被報(bào)道[1-2]。本項(xiàng)目低壓蒸汽冷凝液中已檢出氯離子，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制沒有檢測(cè)氧含量，但在以往項(xiàng)目中鍋爐給水氧含量超標(biāo)的情況時(shí)有發(fā)生，更何況氧含量高于0.5 mg/L 即對(duì)氯化物應(yīng)力腐蝕有顯著促進(jìn)作用[3]。

9 改進(jìn)措施

盡量減少進(jìn)入殼程低壓蒸汽中液態(tài)水的攜帶量，避免出現(xiàn)干濕交替區(qū)域，控制低壓蒸汽中氯和氧的含量?；蛘?，選擇更耐氯化物點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的換熱管材料，如雙相鋼S22053。

10 結(jié)論

綜上所述，低壓蒸汽過熱器的換熱管泄漏的原因?yàn)椋旱蛪赫羝械穆仍趽Q熱管束外表面的干濕交替區(qū)域聚集濃縮，在氧、硫等的促進(jìn)作用下，在管外表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋，擴(kuò)展到管的內(nèi)壁，導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生泄漏。

為避免此類事故的發(fā)生應(yīng)控制蒸汽中的氯和氧的含量，并避免出現(xiàn)干濕交替區(qū)；或選擇更耐氯化物點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的材料。