換熱器殼體腐蝕泄漏失效分析

魏廣杰

（中國(guó)石油大慶石化公司，黑龍江大慶 163700）

0 引言

石油化工生產(chǎn)中的換熱器設(shè)備應(yīng)用較多，由于高溫條件下的各類介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，會(huì)對(duì)換熱器本體產(chǎn)生一定腐蝕，造成各類設(shè)備泄漏事故[1-3]。2017 年4 月，某石化公司MTBE（甲基叔丁基醚）裝置在正常生產(chǎn)過(guò)程中，甲醇回收塔重沸器的殼程出口接管補(bǔ)強(qiáng)圈處因腐蝕而發(fā)生泄漏，造成裝置緊急停工。

該重沸器結(jié)構(gòu)為U 形管式換熱器，投用日期為2016 年4月，殼體、出口接管和補(bǔ)強(qiáng)圈的材料分別為20#鋼、Q345R，其他相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 換熱器工作參數(shù)

將發(fā)生泄漏的出口接管附近的殼體切割下，利用掃描電鏡、金相顯微鏡、能譜儀等儀器進(jìn)行檢測(cè)分析，以查明換熱器殼體泄漏原因，并采取相應(yīng)的技術(shù)、應(yīng)對(duì)措施消除類似安全隱患。

1 換熱器殼體宏觀檢查分析

檢查換熱器殼體泄漏情況：殼體的出口泄漏直觀表現(xiàn)為在補(bǔ)強(qiáng)圈檢查孔處（后期封堵），補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體的焊縫部位未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，由此判斷換熱器殼體與接管的連接處出現(xiàn)泄漏問(wèn)題（圖1）；由于流道劇變影響，換熱器殼體出口接管附近內(nèi)壁被沖刷腐蝕嚴(yán)重，沖刷腐蝕在焊縫處最嚴(yán)重，原始焊縫被削平一定厚度，并且焊縫處發(fā)現(xiàn)一個(gè)疑似泄漏點(diǎn)，疑似泄漏點(diǎn)位于里側(cè)、遠(yuǎn)離封頭（圖2）。殼體出口附近內(nèi)壁以折流板為界，折流板以內(nèi)沖刷腐蝕很輕，內(nèi)壁大部分還保留有原始氧化層；折流板以外出口附近內(nèi)壁的原始氧化層基本被沖刷腐蝕掉，露出殼體金屬本色。

圖1 殼體外壁泄漏處形貌

圖2 殼體內(nèi)壁腐蝕形貌

在焊縫疑似泄漏處切取小試件，試件橫截面的殼體與補(bǔ)強(qiáng)圈的焊縫比較完好，整個(gè)板厚基本焊透，而殼體與接管的的焊縫不完整（圖3）。外側(cè)還有一定深度的未焊透區(qū)域，分析認(rèn)為，這是由于殼體直徑只有700 mm，內(nèi)壁處的殼體與接管焊縫施工作業(yè)比較困難，里側(cè)的焊接質(zhì)量可能較差、易出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。

圖3 殼體與接管和補(bǔ)強(qiáng)圈的焊縫橫截面

試樣宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，殼體內(nèi)壁腐蝕減薄嚴(yán)重，其原始壁厚為8 mm，檢查最薄處剩余壁厚只有5.2 mm，由此造成焊縫里側(cè)連接處被腐蝕，外側(cè)還有未焊透現(xiàn)象，導(dǎo)致殼體泄漏處的焊縫連接基本無(wú)剩余，殼體試件可以在焊縫處撬開(kāi)取下來(lái)（圖4）。

圖4 殼體與接管的焊縫開(kāi)裂形態(tài)

2 殼體內(nèi)壁腐蝕微觀檢測(cè)與機(jī)理分析

將換熱器殼體試件內(nèi)壁超聲清洗干凈，用日立S-3400N 型掃描電鏡觀察內(nèi)壁表面腐蝕微觀形貌；在殼體的遠(yuǎn)離沖刷內(nèi)壁用刮刀刮削一些氧化物，試樣用離子濺射儀噴金導(dǎo)電處理，用能譜儀檢測(cè)成分用牛津INCA350 型能譜儀檢測(cè)內(nèi)壁表面腐蝕產(chǎn)物成分，通過(guò)對(duì)試件外觀表面分析及腐蝕產(chǎn)物組成分析，確認(rèn)是否存在如應(yīng)力腐蝕裂紋、酸堿腐蝕產(chǎn)物等明顯的特征（圖5）。

圖5 殼體內(nèi)壁腐蝕表面的微觀形貌（500×）

（1）分析殼體內(nèi)壁表面的腐蝕物成分，其中O 和Fe 的質(zhì)量占比分別為12.16%和87.84%，原子數(shù)占比分別為32.58%和67.42%?？梢钥闯?，殼體內(nèi)壁表面的主要成分為母材鐵和少量氧化鐵，未發(fā)現(xiàn)其他腐蝕元素。氧化物中也未發(fā)現(xiàn)堿腐蝕常有的鈉鹽等殘留成分，由此排除高溫堿腐蝕的可能。另外，試樣宏觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，殼體出口接管與法蘭及殼體與封頭的焊縫沖刷腐蝕情況較嚴(yán)重，但焊縫橫截面未發(fā)現(xiàn)裂紋，進(jìn)一步排除介質(zhì)造成堿脆和應(yīng)力腐蝕的可能。

（2）常規(guī)高溫氧化腐蝕一般殘留有較厚的氧化層殘留物，而殼體內(nèi)壁只有微量氧化物殘留（圖5），這說(shuō)明其腐蝕因素是酸性介質(zhì)，生成的氧化物被酸性介質(zhì)溶解沖刷了。

（3）換熱器殼體介質(zhì)為含少量甲醇的萃取水，非高純度甲醇含有微量的甲酸等有機(jī)酸，在溫度較高時(shí)對(duì)碳鋼腐蝕很強(qiáng)（75 ℃以下腐蝕較弱，100 ℃以上腐蝕迅速加?。4-7]。換熱器殼程上部出口溫度最高（140 ℃），酸性介質(zhì)腐蝕也最嚴(yán)重。換熱器出口處介質(zhì)流道劇變、此處沖刷作用加劇，再加上換熱器殼體與接管的焊縫缺陷，由此造成焊縫處腐蝕泄漏發(fā)生。

3 殼體焊縫金相組織檢測(cè)分析

在殼體焊縫殘留較多處截取試件，經(jīng)過(guò)金相砂紙和金剛石膏的研磨和拋光，再使用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制備成金相試樣，然后利用金相顯微鏡對(duì)試樣金相組織進(jìn)行觀察分析（圖6～圖7）。

由圖6 可以看出，殼體母材的金相組織為“鐵素體+珠光體”，屬于熱軋正火組織。金相組織呈現(xiàn)軋制帶狀分布，軋制后未經(jīng)過(guò)正火熱處理消除帶狀組織，但是未發(fā)現(xiàn)組織偏析、內(nèi)外壁脫碳等組織缺陷，非金屬夾雜物尺寸很小，只有少量顆粒狀（D 類）非金屬夾雜物，按照GB/T 6394—2002《晶粒度評(píng)級(jí)圖》，晶粒度為7 級(jí)左右，金相組織正常。

圖6 殼體母材的金相組織（100×）

由圖7 可以看出，殼體與接管的焊縫附近熱影響區(qū)存在比較粗大的魏氏體組織，按照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》，焊縫熱影響區(qū)的魏氏體組織達(dá)到III 級(jí)。魏氏體屬于金相組織中的有害相，晶粒比較粗大，具有強(qiáng)度低、脆性大等特點(diǎn)。當(dāng)殼體與接管的焊縫在沖刷腐蝕掉一部分后，焊縫熱影響區(qū)的魏氏體缺陷很容易造成剩余壁厚開(kāi)裂，導(dǎo)致殼體泄漏失效。

圖7 焊縫熱影響區(qū)的金相組織（50×）

4 分析結(jié)論

（1）換熱器發(fā)生泄漏部位在設(shè)備殼體與出口接管連接的焊縫位置。

（2）換熱器殼體泄漏內(nèi)在原因主要是由于設(shè)備殼體內(nèi)壁與接管焊縫處未焊透，再加上魏氏體組織缺陷，造成焊縫剩余部分開(kāi)裂，導(dǎo)致短期（1 年）泄漏失效。

（3）換熱器殼體介質(zhì)為含少量甲醇的水，而非高純度甲醇一般含有微量有機(jī)酸，在溫度較高時(shí)對(duì)碳鋼腐蝕很強(qiáng)（75 ℃以下腐蝕較弱，100 ℃以上腐蝕迅速加?。?，泄漏發(fā)生位置恰好處于高溫區(qū)，該處酸腐蝕狀況最為嚴(yán)重。

（4）由換熱器體內(nèi)壁腐蝕形態(tài)和腐蝕產(chǎn)物分析判斷，內(nèi)壁腐蝕為酸性腐蝕，在溫度高、流道劇變處腐蝕最嚴(yán)重，殼體內(nèi)壁出口處酸性介質(zhì)腐蝕嚴(yán)重是造成殼體泄漏的外在因素。

（5）生產(chǎn)過(guò)程中加堿過(guò)多可能會(huì)造成堿腐蝕，但是試件檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)堿腐蝕特征，有可能在使用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)短期的堿腐蝕，但后期被酸腐蝕清除了痕跡。

5 技術(shù)措施

（1）對(duì)換熱器殼體其他部位以及出口管線進(jìn)行全面超聲波測(cè)厚排查，對(duì)全部焊縫進(jìn)行超聲波無(wú)損探傷，排查出來(lái)一些壁厚減薄嚴(yán)重區(qū)域，發(fā)現(xiàn)部分焊縫存在未焊透等類似缺陷。

（2）為盡快恢復(fù)裝置生產(chǎn)，集中更換了排查發(fā)現(xiàn)的換熱器壁厚減薄嚴(yán)重區(qū)域，對(duì)存在未焊透等缺陷的焊縫重新進(jìn)行補(bǔ)焊，以滿足生產(chǎn)短期急需。

（3）為提高換熱器材料的耐蝕性能，消除腐蝕隱患，新制造的換熱器及配套管線擬換用304#不銹鋼。

（4）對(duì)新制造換熱器殼體與接管的焊接施工加強(qiáng)質(zhì)量控制，避免出現(xiàn)未焊透，盡量消除熱影響區(qū)的魏氏體。

（5）調(diào)研同類裝置是否有使用合適的高溫防腐涂料和施工工藝，后續(xù)設(shè)備升級(jí)改型時(shí)可以考慮在殼體和接管內(nèi)壁制備防腐涂層。