高低壓加氫換熱器管束腐蝕疲勞斷裂分析及改進措施

王朝平

(中國石化上海高橋石油化工有限公司,上海200137)

奧氏體不銹鋼的點腐蝕＋腐蝕疲勞開裂是煉化企業(yè)中一種常見的失效形式【1G2】,常在鹵素離子環(huán)境,尤其是氯離子與外界應力耦合作用的環(huán)境下產生,且不易被察覺,一旦發(fā)生失效,會給企業(yè)的正常生產造成較為嚴重的危害和損失【3G4】.

某煉油企業(yè)加氫裂化裝置中1臺反應產物與低分油換熱器服役13年后,發(fā)現(xiàn)內漏失效情況.拆解該換熱器后發(fā)現(xiàn),換熱管的管束集合中,位于殼程低分油入口處的2根外側換熱管已經斷裂、脫出,如圖1所示.管束上部基本完好,下部有部分白色偏黃的鹽垢,近管板處管子外積垢多,剝除后,垢層下管子外觀良好.

圖1 換熱管管束集合

該換熱器為1臺雙殼程U形管式螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器,管箱材料為15Cr Mo(H)＋堆焊(309L型＋347型),殼程材料為Q345R,管板材料為鍛件15Cr Mo(H)＋堆焊(309L型＋347型),換熱管材料為06Cr18Ni11Ti(TP321),操作溫度及壓力如表1所示;殼程介質為低分油,管程介質為加氫裂化反應產物,具體工藝流程如圖2所示.

圖2 包含失效換熱器的工藝流程示意

表1 失效換熱器操作溫度及壓力

1 換熱管檢測分析

1．1 斷口宏觀分析

從換熱管斷裂位置進行觀察,A、B兩根換熱管斷裂位置均位于管板附近(如圖3所示),換熱管A斷裂處位于管板低壓側距管板約20 mm,換熱管B斷裂處位于管板低壓側距管板約60 mm.

圖3 換熱管斷裂位置

觀察發(fā)生斷裂的換熱管A、B斷口部位[分別標記為斷口a、斷口b,如圖4(a)和圖4(b)所示]發(fā)現(xiàn):斷口a、b均無明顯的塑性變形,屬于脆性斷裂;斷口a與換熱管軸向大致垂直;斷口b與換熱管軸向夾角大致為45°,說明該換熱管在安裝過程中存在扭矩.同時還發(fā)現(xiàn),換熱管B內壁存在點蝕情況,點蝕坑呈碗狀【5】,坑底部存在微裂紋.

1．2 材料化學成分分析

對換熱管取樣進行材料化學成分分析,結果如表2所示.將該結果與GB/T 13296—2013?鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管?【6】中關于06Cr18Ni11Ti材料化學成分的技術要求進行比對,結果顯示,失效換熱管材料化學成分符合標準要求.

1．3 斷口掃描電鏡及能譜分析

通過掃描電鏡對斷口a形貌進行觀察,如圖5和圖6所示.由圖5可見,斷口a表面存在貝殼紋的痕跡,較平整區(qū)域疑似疲勞起裂區(qū),裂紋源位于內壁.在掃描電鏡下可觀察到斷口a斷面上存在放射紋,通過回溯放射紋的交匯點,可判斷出起裂點位于換熱管內壁(如圖6所示).通過高倍鏡(1600×)對擴展區(qū)域進行觀察,可觀察到明顯的疲勞輝紋,因此可以認定,該換熱管斷裂情況為疲勞斷裂.

圖4 宏觀斷口形貌

表2 06Cr18Ni11Ti換熱管化學成分分析與標準對比 單位:w,%

圖5 換熱管A起裂區(qū)

通過掃描電鏡對斷口b及點蝕坑底部的微裂紋形貌進行觀察,如圖7和圖8所示.從圖7中可以發(fā)現(xiàn),斷口b存在較為清晰的起裂源與貝殼紋,因此推測該斷口為疲勞斷口.通過掃描電鏡放大觀察發(fā)現(xiàn),斷口b表面存在多處起裂點,可劃分出較為明顯的疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)(如圖8所示);進一步將疲勞擴展區(qū)放大至更高倍數(shù)(1 700×),可觀察到疲勞輝紋;同時,通過高倍鏡(1 100×)對瞬斷區(qū)進行觀察發(fā)現(xiàn),瞬斷區(qū)的大部分形貌已遭到破壞,但是仍然可以觀察到一部分韌窩的存在.由此可判定,換熱管B是由于疲勞發(fā)生斷裂的.

通過機械手段打開換熱管B內壁點蝕坑底部的微裂紋,觀察裂紋表面形貌,如圖9所示.已有研究表明:點蝕在演化過程中可逐步過渡產生疲勞裂紋【7】.由圖9可以看出:點蝕坑底部微裂紋表面具有典型的河流狀脆性解理開裂特征,屬于脆性開裂裂紋;河流狀花樣從內壁擴展至外壁,證明裂紋從管內壁起裂.

由于兩處斷口均從內壁起裂,而內壁直接與介質接觸,考慮到管內介質對于換熱管材料的影響,對斷口b處進行能譜分析,結果如表3所示.結果顯示:表面殘余有一定量的氯元素.而奧氏體不銹鋼材料對于氯元素較為敏感,可能產生腐蝕疲勞開裂等問題.

圖6 斷口a表面形貌

圖7 換熱管B起裂源

圖8 斷口b表面形貌

圖9 微裂紋表面形貌

表3 斷口b表面能譜分析結果 單位:w,%

1．4 金相分析

為進一步分析換熱管內壁情況,對換熱管A未開裂部位進行機械加工取樣,并進行金相分析.試樣經鑲嵌、磨制、拋光后,再經草酸溶液進行電解侵蝕處理.處理后試樣的金相組織如圖10所示.從圖10金相組織照片(200×)中可以觀察到:換熱管材料的金相組織為奧氏體組織,換熱管內壁存在大量裂紋;裂紋尖端圓鈍,不存在樹枝狀穿晶開裂特征,可以排除應力腐蝕開裂的可能.結合換熱管B內壁處出現(xiàn)的點蝕現(xiàn)象,可推斷出裂紋符合奧氏體不銹鋼腐蝕疲勞開裂的裂紋特征.

圖10 換熱管取樣部位及金相

2 分析與討論

腐蝕疲勞是材料在交變載荷引起的循環(huán)應力和腐蝕介質共同作用下造成的一種失效形式.單一的腐蝕或是交變載荷作用未必會對設備造成顯著的失效風險,材料對于常規(guī)的疲勞也都會存在一定的疲勞極限.而在二者共同作用的環(huán)境下,即使腐蝕介質濃度不高或是循環(huán)應力不大,也可在材料中快速形成穿透性裂紋【8】.

通過上述分析手段對發(fā)生斷裂的換熱管A、B進行分析可以確定,內壁的點腐蝕＋腐蝕疲勞開裂是此次失效的直接原因,即氯離子富集導致?lián)Q熱管內壁06Cr18Ni11Ti材料表面鈍化膜遭到破壞造成點蝕,以點蝕坑底部作為起裂源,在交變載荷作用下產生疲勞裂紋并擴展,最終過載導致?lián)Q熱管發(fā)生斷裂.因此需要對腐蝕介質的影響和交變載荷的來源進行進一步的分析和討論.

2．1 腐蝕介質

失效的換熱管采用06Cr18Ni11Ti材料.該材料具有優(yōu)異的高溫性能和耐晶間腐蝕性能,是加氫裝置反應系統(tǒng)高壓換熱器中常用的材料.而氯等鹵族元素可破壞不銹鋼表面鈍化膜,形成點蝕坑,同時所形成的點蝕坑底部可作為陽極,與具有鈍化膜的金屬表面產生電化學腐蝕作用,使得表面鈍化膜持續(xù)遭到破壞,材料不斷被侵蝕【9】.若材料存在循環(huán)應力,則在點蝕坑底部會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,使得組織發(fā)生塑性流動,萌生微裂紋.而材料發(fā)生塑性滑移的區(qū)域,其腐蝕活性得到增強,金屬溶解加速,導致腐蝕進一步加劇.在循環(huán)應力的繼續(xù)作用下,微裂紋最終擴展形成腐蝕疲勞裂紋【10】,如圖11所示.

圖11 腐蝕疲勞裂紋的形成與擴展過程示意

通過斷口能譜分析及換熱管內壁金相觀察可以確定,失效換熱管的材料表面存在一定量的腐蝕介質,尤其是氯元素,導致?lián)Q熱管的管內壁產生了大量尖端圓鈍的裂紋.由于參與加氫裂化反應的原料油及循環(huán)氫中可能含有微量的無機氯化物,而該失效換熱器位于加氫裂化反應系統(tǒng)的下游,管內介質為200℃左右的加氫反應產物,管程出口處正好為氯化銨鹽的結晶析出溫度,因此換熱管內壁極有可能受氯離子侵蝕產生點蝕坑【11】.

2．2 交變載荷

失效的換熱器屬于典型的高低壓差換熱器,管、殼程的兩側壓差較大,極易因壓差產生強烈的振動.其管束為U形管,管程介質為加氫裝置的反應產物,雖然介質壓力較高,但流量一直比較穩(wěn)定;而殼程流體為低分油,流體從下部沿垂直于換熱器殼體的方向進入殼程,沖擊管束中的換熱管,因此該管束受到一個垂直于管束軸向的載荷沖擊.從發(fā)生斷裂的兩根換熱管位于管束集合最外側可以發(fā)現(xiàn),該處換熱管受沖擊載荷作用比較明顯.查閱該換熱器殼程側的工藝流程和近一年的流量操作趨勢曲線發(fā)現(xiàn),其殼程側為便于工藝操作調整,設有一組流體進料的溫控調節(jié)副線,受上游溫控的影響,進入殼程的流體流量不太穩(wěn)定,其誘導產生的循環(huán)沖擊載荷使得管束在近管板處(進料處)產生較大的彎矩.此外,兩處斷裂部位均位于換熱管近管板處內側邊緣,而近管板處換熱管相對運動受限,因此即使管束末端所受交變載荷極小,在近管板處的管截面上也將產生明顯的循環(huán)應力.

綜上所述,該換熱器換熱管束由于受到殼程流體垂直方向上的沖擊載荷,加之管內介質存在一定量含氯化物的腐蝕物,導致管內壁產生點蝕,進而在循環(huán)應力作用下產生腐蝕疲勞,最終導致疲勞斷裂.

3 建議及改進措施

換熱器的換熱管斷裂失效是由于點腐蝕＋腐蝕疲勞導致的,造成斷裂的主要原因是管程介質中存在氯化物等腐蝕性元素導致點腐蝕產生,且管束受殼程介質沖擊載荷影響,在近管板處產生一定的循環(huán)應力,促進了腐蝕坑處疲勞裂紋的產生和擴展.針對上述結論,建議及改進措施有:

1)在殼程的換熱管進料區(qū)域設置防沖擋板,避免流體對換熱管的直接沖擊,減少或消除近管板處換熱管受到的循環(huán)應力;

2)加強加氫裂化裝置的進料控制管理,減少加氫裂化原料和加氫所用氫氣的氯離子含量;

3)強化換熱器尤其是殼程側前序工藝的溫度控制,盡可能保持操作工藝流量的穩(wěn)定性.