循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱管斷裂原因

盧雪梅,陳夢(mèng)婷,吳娜榮,李燕嬌,王 亮,宋文明

(機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司,上海 201518)

循環(huán)油蒸汽發(fā)生器是一種重要的換熱設(shè)備，為了達(dá)到節(jié)能目的，可以采用油漿循環(huán)的方法來(lái)提升殼程中汽水混合物的溫度。在使用過(guò)程中，受腐蝕介質(zhì)、設(shè)備振動(dòng)、溫差以及生產(chǎn)制造過(guò)程中出現(xiàn)焊接和機(jī)械脹接不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊慬1]，循環(huán)油蒸汽發(fā)生器經(jīng)常出現(xiàn)換熱管斷裂的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了設(shè)備與裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此找出循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱管斷裂的原因，對(duì)延長(zhǎng)循環(huán)油蒸汽發(fā)生器的使用壽命至關(guān)重要[2]。

某公司循環(huán)油蒸汽發(fā)生器為“高-低”U型管螺紋鎖緊環(huán)釜式蒸汽發(fā)生器，因系統(tǒng)動(dòng)力電源臨時(shí)斷電，管程進(jìn)口側(cè)的增壓泵停車，設(shè)備殼體溫度、壓力和液位急劇升高，緊急放散裝置發(fā)生超壓泄漏，排放出大量的油氣和蒸汽,拆解發(fā)現(xiàn)有換熱管發(fā)生斷裂。筆者采用宏觀觀察、垢物成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試及掃描電鏡分析等方法，分析了該換熱管斷裂的原因，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)斷裂換熱管進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)：管束上部最外側(cè)1根換熱管的中間貼脹部位發(fā)生環(huán)向斷裂，且斷裂后的換熱管在高壓流體的作用下向后退縮變形。

1.2 金相檢驗(yàn)

在斷裂換熱管截面處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：換熱管的顯微組織為奧氏體+析出相，析出相呈點(diǎn)狀、鏈狀分布，組織正常。

圖1 斷裂換熱管的宏觀形貌

圖2 斷裂換熱管的顯微組織形貌

斷裂換熱管裂紋處的微觀形貌如圖3所示，可見(jiàn)裂紋斷裂方向從外向內(nèi)，呈沿晶、穿晶混合斷裂，在裂紋擴(kuò)展區(qū)局部區(qū)域有晶粒脫落。

圖3 斷裂換熱管裂紋處的微觀形貌

1.3 硬度測(cè)試

分別對(duì)該斷裂換熱管段的未脹接區(qū)、脹接區(qū)和過(guò)渡區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)管段未脹接區(qū)的硬度符合GB/T 4340.2—2012 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》的要求，脹接區(qū)和過(guò)渡區(qū)的硬度比未脹接區(qū)的硬度高，說(shuō)明脹接區(qū)和過(guò)渡區(qū)管壁的應(yīng)力比未脹接區(qū)管壁的應(yīng)力大。

圖4 斷裂換熱管段未脹接區(qū)、脹接區(qū)和過(guò)渡區(qū)的硬度測(cè)試結(jié)果

1.4 掃描電鏡(SEM)分析

對(duì)斷裂換熱管斷口處進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：換熱管啟裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及裂紋尖端均呈沿晶開(kāi)裂特征，斷面呈塊狀，并可見(jiàn)二次裂紋，晶面附著有顆粒狀垢物。

1.5 垢物成分分析

在同一根斷裂換熱管上取3個(gè)試樣進(jìn)行垢物成分分析，并編號(hào)為1#，2#，3#試樣。其中1#試樣垢物成分取自管板殼程側(cè)斷裂面，斷面位置與脹接過(guò)渡區(qū)較近；2#試樣垢物成分取自近管板側(cè)新鮮斷裂面(裂紋手動(dòng)打開(kāi)面)；3#試樣垢物成分取自近管板側(cè)斷裂面，斷面位置與脹接過(guò)渡區(qū)較近。采用能譜儀對(duì)1#～3#試樣進(jìn)行垢物成分分析，結(jié)果如圖6所示，可見(jiàn)3個(gè)試樣均主要含有C，O，Cr和Fe等元素，其中2#試樣中含有Na，P元素，Na元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.73%。

圖5 斷口的SEM形貌

圖6 斷裂換熱管的垢物成分分析結(jié)果

2 綜合分析

綜合上述結(jié)果可知，該斷裂換熱管的硬度和顯微組織均無(wú)異常。裂紋起始于換熱管外壁，從外向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中以沿晶+穿晶混合開(kāi)裂特征為主，并有晶粒脫落。斷口的啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、裂紋尖端均呈沿晶開(kāi)裂特征，斷面呈塊狀，并可見(jiàn)沿晶二次裂紋，晶面附著有顆粒狀垢物，這個(gè)特征與裂紋的微觀形貌相吻合，符合堿性溶液中的沿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征[3-4]。

循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱管的接觸介質(zhì)是除氧水和蒸汽，正常情況下含有一定量的磷酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸和二氧化碳。在換熱管操作溫度(104～275 ℃)下，換熱管發(fā)生水解反應(yīng)生成了OH-，OH-與換熱管內(nèi)水中的Na+結(jié)合成游離的NaOH[5]，導(dǎo)致堿濃度升高，在脹管等有縫隙的地方，堿液發(fā)生富集、濃縮。該換熱管服役時(shí)溫度較高，加劇了介質(zhì)中離子的運(yùn)動(dòng)，且溫度越高，發(fā)生堿脆所需的濃度越低，發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的趨勢(shì)越大[6-7]。研究表明，金屬及合金材料在堿性溶液中，拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致堿脆[8-9]，堿濃度越高，材料的斷裂敏感性越大[10]。

在104～275 ℃的服役溫度下，隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，換熱管脹管縫隙位置的堿濃度不斷升高，在應(yīng)力作用下，形成了堿脆發(fā)生的特定條件。隨著縫隙位置堿液的富集、濃縮，換熱管表面形成了細(xì)小裂紋，堿液也在裂紋處聚集。在堿濃度較高的條件下，裂紋尖端成為陽(yáng)極反應(yīng)區(qū)，并在軸向應(yīng)力的作用下，裂紋迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論與建議

循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱器發(fā)生了堿應(yīng)力腐蝕斷裂?？梢圆捎藐帢O保護(hù)、表面噴漆等防護(hù)方法對(duì)應(yīng)力腐蝕進(jìn)行控制，并控制裝置開(kāi)工、停工的速率，以減少因溫差而產(chǎn)生的斷裂。