換熱器密封盤開裂失效分析

張旭日 王淑杰 王春茂

（1.山東昌邑石化有限公司 濰坊 261300）

（2.山東省特種設備檢驗研究院集團有限公司 濟南 250101）

某單位180 萬t／a 柴油加氫改制裝置反應流出物／混合進料換熱器，為第III 類壓力容器，管程介質-反應流出物主要成分為硫化氫、氫氣、油氣、油，設計溫度為321 ℃，設計壓力為8.82 MPa，工作溫度為301／220 ℃，最高工作壓力為8.4 MPa。該換熱器投用87 天后，其密封盤開裂。密封盤材質為S32168，直徑為φ1 685 mm，厚度為13 mm，凸緣厚10 mm，密封盤厚度最小處為彈性變形區(qū)5 mm，密封盤在設備中位置如圖1 中組合件1 所示。

圖1 密封盤在設備中位置（組合件1）

在密封盤邊緣環(huán)形區(qū)域內肉眼可見明顯宏觀裂紋，裂紋位于彈性變形區(qū)內，沿密封盤密封面邊緣環(huán)向分布，見圖2。

圖2 密封盤開裂局部

1 檢驗過程與結果

1.1 宏觀形貌檢查

失效密封盤介質側開裂位于彈性變形區(qū)的薄板，靠近密封盤外側密封面過渡圓角處，沿環(huán)線整圈開裂，呈現多源起裂、沿環(huán)線擴展連接的特點，部分裂紋已經貫穿密封盤厚度方向。

密封盤厚度方向的裂紋形貌見圖3，開裂從管箱側向封頭側開裂，裂紋始于彈性變形區(qū)與密封面的過渡圓角或外圈壓環(huán)與密封盤的接觸面邊緣，呈現分枝狀。內圈壓環(huán)與密封盤接觸邊緣沿密封盤環(huán)向部分開裂，開裂程度低于近過渡圓角處。

圖3 密封盤近過渡圓角處沿厚度方向開裂形貌

從密封盤封頭側觀察，密封盤近過渡圓角處存在明顯的加工凹槽，貫穿裂紋位于此凹槽內，表面粗糙度較大，見圖4。

圖4 內圈壓環(huán)與密封盤接觸面兩側開裂形貌

1.2 化學成分分析

失效密封盤的化學成分符合GB／T 24511—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中對S32168 的要求，見表1。

表1 化學成分wt%

1.3 力學性能分析

力學性能測試試驗結果見表2，力學性能符合GB／T 24511—2017 中對S32168 的要求，其中試樣2斷后伸長率A略低于標準要求。

表2 力學性能

1.4 金相組織分析

在密封盤開裂所在環(huán)線上無宏觀裂紋部位進行金相取樣，按照GB／T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的要求對密封盤裂紋周圍進行顯微組織檢驗，侵蝕劑選用王水，金相顯微組織見圖5。金相具有欒晶的奧氏體晶粒上有沿加工變形方向分布的黑色長條狀α 鐵素體，散狀分布的方形或三角形粉色部位為碳化鈦，未發(fā)現微觀裂紋，未發(fā)現馬氏體等硬脆相，金相顯微組織未發(fā)生變化。其中奧氏體晶粒大小不均，鐵素體含量偏多，約占10%。

圖5 金相顯微形貌

在密封盤有宏觀裂紋區(qū)域，按照GB／T 13298—2015 對密封盤裂紋周圍進行顯微組織檢驗。裂紋附近及未裂部位均為奧氏體加長條狀鐵素體組織，有極少量的碳化鈦。裂紋形貌見圖6，顯微組織顯示裂紋呈樹枝狀分布。主裂紋擴展形式主要以穿晶開裂為主，尖端分叉較多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌。裂紋形貌有明顯的奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂特征[1-3]。

圖6 短裂紋形貌

1.5 斷口掃描電鏡檢測

沿環(huán)線裂紋開裂處取樣，通過掃描電鏡觀察未清洗開裂表面，形貌見圖7，開裂沿厚度方向全部貫穿，表面附著較多換熱器內管程介質或腐蝕產物，可見微裂紋，未發(fā)現明顯晶間裂紋。

圖7 開裂表面形貌

對裂紋結合面進行能譜檢測分析，詳細結果見圖8。結果顯示，裂紋內的腐蝕產物主要包括較多的氧化物、硫化物和少量氯化物。

圖8 開裂表面能譜分析

對開裂表面清洗觀察發(fā)現，表面有少量的大裂紋，微裂紋極多，存在沿同一個方向擴展的密布多源微裂紋，偶有較深的點蝕坑，表面有明顯的腐蝕特征，見圖9。

元素重量／% 原子／%元素重量／% 原子／%C 2.95 7.26 Ca 0.35 0.26 O 30.71 56.69 Cr 2.34 1.33 Si 0.64 0.68 Mn 1.80 0.97 S 0.45 0.42 Fe 53.48 28.28 Cl 0.65 0.54 Ni 4.12 2.07 K 1.50 1.13 Br 1.01 0.37總量100.00——

圖9 斷面形貌

2 失效原因分析

1）失效密封盤金相組織為非等軸晶，晶粒大小不一，鐵素體含量高。顯微組織分析顯示裂紋呈樹枝狀分布，主裂紋擴展形式主要以穿晶開裂為主，尖端分叉較多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌，是典型的應力腐蝕形貌。

2）運行時密封盤接觸介質為管程介質-反應流出物（主要成分為硫化氫、氫氣、油氣、油）。工藝流程中為防止結晶會向第三級換熱器前管路中注水，管程中就形成了與不銹鋼形成腐蝕體系的H2S水溶液。在能譜分析中還發(fā)現了Cl 元素，說明溶液中還有游離態(tài)Cl-，存在應力腐蝕的介質條件。

3）設備密封盤彈性變形區(qū)是密封盤的加工壁厚最薄處，在密封盤的過渡圓角及近過渡圓角、內圈壓環(huán)的接觸邊緣是受力最大部位[4-5]。失效盤的過渡圓角較小，倒角越小密封盤應力越大，密封盤裂紋產生部位與拉應力區(qū)域具有很好的對應性。

綜上所述，失效密封盤金相組織晶粒大小不均、存在較多的欒晶，密封盤本身在過渡圓角處存在應力集中，在工作載荷的條件下，密封盤將產生變形，帶來較大的附加應力。換熱器的工作環(huán)境為高溫高壓，工作溫度為301／220 ℃，最高工作壓力為8.4 MPa，管程介質中含有與不銹鋼形成腐蝕體系的H2S 溶液和Cl-。在應力、腐蝕環(huán)境共同作用下，局部裂紋貫穿密封盤壁厚，腐蝕介質發(fā)生泄漏，導致整個部件失效。因此根據上述分析，可以認為，在拉應力和管箱內H2S 溶液、Cl-等腐蝕環(huán)境的共同作用下，在密封盤邊緣環(huán)形區(qū)域處發(fā)生了應力腐蝕開裂現象。

3 結束語

某換熱器密封盤投用短時間內發(fā)生開裂主要是由于彈性變形區(qū)與密封面的過渡圓角處、內圈壓環(huán)與密封盤的接觸邊緣存在應力集中和附加應力，密封盤處于H2S 溶液和Cl-腐蝕性介質環(huán)境中，在密封盤拉應力最大區(qū)域處發(fā)生了應力腐蝕開裂現象，在設備使用過程中為了避免發(fā)生這種開裂，應從材料、應力狀態(tài)和介質環(huán)境進行充分考慮，給出以下預防失效的建議和措施：

1）密封盤選材方面，金相組織以鐵素體含量少的均勻細小奧氏體等軸晶為佳；

2）制造方面，建議厚度正偏差，加大過渡圓角，提高表面質量；

3）供需雙方可協商，對鋼板提出晶間腐蝕試驗要求。