C22哈氏合金換熱器腐蝕原因及其防護(hù)措施

王生章

摘要：哈氏合金換熱器是一種通過(guò)名為波紋板作為其換熱元件高效換熱器，在近年來(lái)，哈氏合金憑借自身的優(yōu)勢(shì)被各行業(yè)所重視，由于哈氏合金換熱器的廣泛應(yīng)用普及，眾多樣板換熱器制造廠家也逐漸重點(diǎn)關(guān)注板式換熱器的行業(yè)市場(chǎng)。本文針對(duì)哈氏合金U形管換熱器內(nèi)部的腐蝕斷裂等一系列困境做出研究，并且根據(jù)哈氏合金的材料以及運(yùn)行工況各個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并通過(guò)相應(yīng)的解決措施，例如更換熱熔板，使用鎳基合金來(lái)對(duì)哈氏合金腐蝕性進(jìn)行了有效控制。

關(guān)鍵詞：C22;哈氏合金;換熱器;腐蝕原因;防護(hù)措施

0 ?引言

美國(guó)Haynes IntematioIlal公司N10665鋼的商業(yè)名稱就是哈氏合金的來(lái)源，由于在實(shí)驗(yàn)中，哈氏合金的耐醋酸、鹽酸、硫酸等還原性介質(zhì)以及氧化性介質(zhì)的耐腐蝕能力[1]。根據(jù)上述特征，從而使得哈氏合金在可以得到較為廣泛的應(yīng)用與使用。就在哈氏合金換熱器被各個(gè)廠商廣泛生產(chǎn)，得到社會(huì)廣泛應(yīng)用之際，某石油企業(yè)在使用哈氏合金換熱器時(shí)出現(xiàn)故障，其主要故障表現(xiàn)為石油公司使用u形管頻繁出現(xiàn)腐蝕以及開(kāi)裂現(xiàn)象。此個(gè)u形管換熱器的主要材質(zhì)就是哈氏合金，石油公司的樹(shù)脂加工廠的設(shè)備在購(gòu)買(mǎi)后僅使用六個(gè)月就發(fā)生了以哈氏合金為主要材質(zhì)的u形管使用僅6個(gè)月就被侵蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象，并且設(shè)備還有因?yàn)楦g導(dǎo)致開(kāi)裂的現(xiàn)象。由于這樣的弊端會(huì)導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)效率的大幅度下降甚至?xí)绊懫髽I(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)對(duì)石油企業(yè)中的樹(shù)脂工廠的u形管換熱器的腐蝕狀況進(jìn)行化學(xué)成分方面、溫度影響和工作狀況以及運(yùn)行工況的研究，意在為哈氏合金的腐蝕問(wèn)題提供解決辦法。

1 ?哈氏合金性能與腐蝕原因

1.1 哈氏合金設(shè)備簡(jiǎn)介

哈氏合金可以在強(qiáng)氧化性鹽的介質(zhì)中進(jìn)行濕氧、亞硫酸、醋酸、甲酸、次氯酸鹽里面保持高度的耐蝕性，并且還可以在日常行為中耐均勻腐蝕、耐點(diǎn)蝕和耐晶間腐蝕的能力。在哈氏合金制作的材料中，最為頻繁發(fā)生腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題的u形管換熱器，在經(jīng)過(guò)我們調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，u形換熱管的管程介質(zhì)為樹(shù)脂液，換熱器的規(guī)格為19mm×2mm，它的換熱器入口溫度和出口溫度都分別是：100℃和280℃，它的管程工作壓力是1.7MPa。殼程中間物質(zhì)叫做導(dǎo)熱油，它的入口溫度和出口溫度分別是330℃和310℃，殼程工作壓力是0.8MPa。并且相關(guān)人員在是由企業(yè)的操作車(chē)間進(jìn)行勘查后發(fā)現(xiàn)，有部分列管出現(xiàn)開(kāi)裂的部位是U形彎段，管束直管段無(wú)顯著減薄現(xiàn)象，裂口周?chē)矝](méi)有減薄狀態(tài)，裂紋走向是徑向，并且其管束列管部位并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)局部脹粗與鼓包現(xiàn)象。u形換熱管是使用哈氏合金材質(zhì)進(jìn)行鍛造的，并且中間摻雜的鎳基耐蝕合金是可以介于不銹鋼與純鎳之中，并且其物理性能具有超強(qiáng)的耐腐蝕性，在國(guó)際的金屬專業(yè)認(rèn)證中將鎳基耐蝕合金放入奧氏體結(jié)構(gòu)金屬[2]。因此，在對(duì)鎳基耐蝕合金的腐蝕性能進(jìn)行分析研究我們了解到，許多氧化性介質(zhì)有可能存在于哈氏合金之中，并且對(duì)于鋼造成晶間腐蝕，又或者這種物質(zhì)會(huì)在氯離子的介質(zhì)環(huán)境中導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的出現(xiàn)。

1.2 哈氏合金主要性能

在進(jìn)行哈氏合金的研究與開(kāi)發(fā)時(shí)，我們將廠內(nèi)的br06型產(chǎn)品當(dāng)作哈氏合金耐腐蝕性能測(cè)試的研究目標(biāo)，br06型產(chǎn)品的溫度和壓力分別是65℃和0.85MPa，單臺(tái)組裝換熱面積也分別進(jìn)行了基礎(chǔ)測(cè)量。但是想要將主要技術(shù)關(guān)鍵的Hastelloy C-276板材的冷成型性能做好，就需要將板式換熱器中的傳熱板片作為關(guān)鍵部件進(jìn)行分析。br06型板片在具體層面的研究是通過(guò)使用油壓機(jī)壓制進(jìn)行的，最終使得成品得以成型。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中，我們所需要的關(guān)鍵模具是通過(guò)在國(guó)外購(gòu)買(mǎi)回來(lái)的哈氏合金的原創(chuàng)公司使用的模具也是從國(guó)外西德史密特公司生產(chǎn)的原產(chǎn)模具。由于模具的費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且耗費(fèi)金額巨大，所以需要最大限度的將模具利用到極致，所以必須在進(jìn)行板片壓制的過(guò)程中保證一次性通過(guò)，專家學(xué)者利用哈氏合金的性能進(jìn)行推算研究，最終確定出應(yīng)該使用工業(yè)相關(guān)條款進(jìn)行哈氏合金研究的執(zhí)行。

在上一步的版面最終成型后，應(yīng)該對(duì)板面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)它們的密封槽和波紋深度。并且查看檢測(cè)結(jié)果是否可以按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行符合圖樣的實(shí)驗(yàn)。并依照GB4730-94的樣式進(jìn)行壓形后的板片進(jìn)行著色探傷檢查，而且使用I級(jí)作為實(shí)驗(yàn)是否成功的最終關(guān)鍵所在，并且在經(jīng)過(guò)專家技術(shù)人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中我們得知，這些板面符合我們的哈氏合金試驗(yàn)技術(shù)要求。（3.7±0.15）mm是Br06板片波紋深度的要求，并且此產(chǎn)品槽形環(huán)和接管、法蘭都是使用碳鋼材料進(jìn)行的，技術(shù)人員在板面的表面進(jìn)行襯氟處理這三件組焊，以上襯氟處理的做法讓哈氏合金避免了以往會(huì)出現(xiàn)的焊接問(wèn)題。而且使得原本不太優(yōu)秀的耐酸腐蝕下的襯里聚四氟乙烯進(jìn)行的耐酸腐蝕方面質(zhì)的飛躍。在進(jìn)行酸度實(shí)驗(yàn)中我們了解到，通常的溫度敏感區(qū)下的年腐蝕率奧氏體不銹鋼發(fā)生氯離子導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的一般為150～280℃，這就說(shuō)明在溫度小于180℃的溶液中，硫酸質(zhì)量濃度0～98%中，哈氏合金的耐蝕性能良好，并且在這個(gè)溫度區(qū)間里面，氯離子質(zhì)量濃度很低的時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致奧氏體結(jié)構(gòu)的品間腐蝕從而引起腐蝕開(kāi)裂。一般來(lái)說(shuō)u形管換熱器管束部件的工作溫度一般在90～100℃，但也有容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的少部分溫度區(qū)間[3]。在0.05～0.50mm/a。石油公司的樹(shù)脂工廠的u形管換熱器管束的應(yīng)力來(lái)源主要是操作技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂液的入口溫度和出口溫度分別為100℃和280℃，這里可以看出管程介質(zhì)的進(jìn)口和出口的溫度差距嚴(yán)重，并且其中的出料段和進(jìn)料段管子會(huì)由于溫差導(dǎo)致自由伸長(zhǎng)量和膨脹狀態(tài)不同。但是由于這兩個(gè)地方是緊密接連起來(lái)的，因此其自由伸長(zhǎng)量影響相互作用力的產(chǎn)生，也就是進(jìn)料段以及出料段的管子會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。

1.3 哈氏合金腐蝕原因

管束煨彎段是自由端，管板是固定端，當(dāng)產(chǎn)生溫差應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力會(huì)首先在換熱管上進(jìn)行自由端的集中。在于換熱管的彎曲半徑只有4cm，這在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)半徑有點(diǎn)過(guò)小，從而會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生并不是均勻分布的，也不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)做到有效地消除或緩解，從而影響結(jié)構(gòu)突變，最后使得使煨彎處的局部應(yīng)力值迅速升高，在設(shè)備運(yùn)作過(guò)程中產(chǎn)生的各種應(yīng)力就會(huì)集中在u形換熱管煨彎段導(dǎo)致應(yīng)力集中。由此可見(jiàn)，由于u形換熱管中的應(yīng)力過(guò)于集中，所以誘發(fā)應(yīng)力腐蝕斷裂。綜上所述，換熱管材質(zhì)哈氏合金和316 L工作的介質(zhì)環(huán)境、溫度環(huán)境產(chǎn)生符合發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件，并且u形換熱管煨彎段的應(yīng)力集中是個(gè)別u形換熱管煨彎段發(fā)生開(kāi)裂的重要誘因。

2 ?哈氏合金腐蝕的措施

2.1 更換換熱器材質(zhì)

通過(guò)哈氏合金的u型換熱管的實(shí)驗(yàn)分析，我們發(fā)現(xiàn)更換換熱器管束材質(zhì)是解決哈氏合金腐蝕問(wèn)題的首要選擇，但是由于其原有u形管換熱器換熱面積很小只有32m2，并且在u形彎連接處也具有較大的腐蝕問(wèn)題并腐蝕十分嚴(yán)重。所以，我們使用208鋼制作的u形管換熱器作為新更換的換熱器，208鋼材質(zhì)使得換熱面積增大至50m2，并且防腐狀態(tài)也十分好。截止到目前為止，新更換的以208鋼為原料的換熱器管束已運(yùn)行近一年時(shí)間，并且還沒(méi)有漏液現(xiàn)象的發(fā)生，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)很好，可以作為長(zhǎng)期設(shè)備進(jìn)行使用。

2.2 更新傳熱板片

由于傳熱板片是板式換熱器的關(guān)鍵元件，因此板材的冷成型性能是主要技術(shù)重點(diǎn)所在，油壓機(jī)將br06型板面進(jìn)行壓制成型，其使用的模具也是通過(guò)在原廠施密特公司進(jìn)行進(jìn)口而來(lái)的原裝模具。技術(shù)人員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模具十分珍惜，為了避免模具浪費(fèi)而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，所以盡量讓板面壓制可以一次通過(guò)，一次合格，所以通過(guò)對(duì)結(jié)合哈氏合金的力學(xué)性能的反復(fù)研究，決定按通用工藝相關(guān)條款執(zhí)行。板片成型后，對(duì)其密封槽及波紋深度等進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果均符合圖樣及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并按GB4730-94對(duì)壓形后的板片進(jìn)行著色探傷檢查，并以I級(jí)為合格判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果均符合規(guī)定要求。板片波紋深度要求符合專業(yè)工藝，該產(chǎn)品接管、法蘭及槽形環(huán)均采用碳鋼材料，三件組焊后在其內(nèi)表面進(jìn)行襯氟處理，從而避免了哈氏合金的焊接問(wèn)題，同時(shí)襯里聚四氟乙烯耐酸腐蝕的性能優(yōu)異[4]。

2.3 使用鎳基合金

鎳基合金由于鎳本身具有鈍化的特征，并且對(duì)于多種合金元素可以起到固溶狀態(tài)，所以鎳基合金可以在作為原料進(jìn)行設(shè)備制作時(shí)，可以更好的預(yù)防產(chǎn)生各種類似石油公司的事件。并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎳基合金可以將原本不銹鋼和其他金屬不能解決的腐蝕事件，更好的解決完成。從而使得哈氏合金可以在以往難以實(shí)施的腐蝕環(huán)境中進(jìn)行更加廣泛的應(yīng)用。為了避免石油公司的樹(shù)脂工廠類似事故的發(fā)生，建議對(duì)于哈氏合金進(jìn)行研制的工廠可以使用鎳基合金進(jìn)行原料從而進(jìn)行設(shè)備的制造，從而避免工廠發(fā)生類似事件[5]。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

在使用哈氏合金換熱器的過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格按照ASTM B626 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定嚴(yán)格進(jìn)行焊接，并且在焊后對(duì)母材以及焊縫進(jìn)行嚴(yán)密冷拉處理，之后依據(jù) ASTM B626標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷拉處理后的熱熔器成型件實(shí)行符合標(biāo)準(zhǔn)的固溶退火處理[6]。并且相關(guān)部門(mén)在進(jìn)行哈氏合金換熱器的檢測(cè)時(shí)，應(yīng)該關(guān)注u形管換熱器的耐腐蝕性能的檢測(cè)。并且相關(guān)企業(yè)工廠進(jìn)行u形管以及其他哈氏合金換熱器的購(gòu)買(mǎi)和訂貨時(shí)，也要附加檢查其產(chǎn)品的耐腐蝕性能，要求其符合檢驗(yàn)要求，從而從根本上杜絕有損企業(yè)效益的行為發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]金光熙，岳洋，曹杰.C22哈氏合金換熱器腐蝕原因及其防護(hù)措施[J].腐蝕與防護(hù)，2018（02）：66-68.

[2]李化錦.哈氏合金換熱器設(shè)計(jì)及制造要點(diǎn)[J].遼寧化工，2017（07）：118-121.

[3]駱重陽(yáng)，張軍明，楊冬，等.哈氏合金換熱器腐蝕開(kāi)裂失效分析及解決措施[J].石油化工設(shè)備，2017，38（5）：108-109.

[4]魏化中，熊仲營(yíng)，周超.哈氏合金熱交換器管板焊接過(guò)燒對(duì)耐腐蝕性能影響[J].石油化工設(shè)備，2018，40（4）：17-19.

[5]駱重陽(yáng)，張軍明，楊冬，等.哈氏合金換熱器腐蝕開(kāi)裂失效分析及解決措施[J].石油化工設(shè)備，2019，38（5）：108-109.

[6]毛華群.哈氏合金反應(yīng)器腐蝕泄漏原因[J].腐蝕與防護(hù)，2016，13（3）：144-147.