換熱器應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂失效分析

楊志剛

(河南省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)技術(shù)科學(xué)研究院,河南 鄭州 450016)

換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛,以管殼式換熱器最為常見(jiàn),主要作用是實(shí)現(xiàn)流體間熱量傳遞,使流體溫度滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需要,同時(shí)節(jié)約能源[1]。引起換熱器損壞的原因很多,腐蝕是最常見(jiàn)的一個(gè)原因?；どa(chǎn)中,工藝介質(zhì)中一般都會(huì)含有一定的腐蝕性介質(zhì),當(dāng)腐蝕性介質(zhì)和換熱器的材料不相適應(yīng)時(shí),腐蝕就會(huì)發(fā)生,當(dāng)腐蝕部位存在較大的拉伸應(yīng)力時(shí),更會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是指敏感的金屬在足夠的拉伸應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生開(kāi)裂或斷裂的現(xiàn)象,為脆性斷裂,一般無(wú)明顯的預(yù)兆,具有極大危害性。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂需同時(shí)具備三個(gè)條件,即敏感的金屬、特定的腐蝕介質(zhì)和足夠的拉伸應(yīng)力[2]。

304奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性能和良好的加工性能,在化工設(shè)備中廣泛地用以制作換熱器的換熱管。但在實(shí)際應(yīng)用中,材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼的換熱管出現(xiàn)腐蝕失效的問(wèn)題也屢見(jiàn)不鮮,其中以應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂最為突出。引起304奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的腐蝕介質(zhì)主要有氯化物、濕硫化氫和連多硫酸等[3]。

某化工廠的一臺(tái)CO2換熱器在檢驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)管程出口側(cè)有多根換熱管發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂。文章結(jié)合裂紋的宏觀形貌和理化檢測(cè)結(jié)果,從工藝條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備材料等方面分析了開(kāi)裂失效的原因,并給出了相應(yīng)的建議。

1 設(shè)備概況和宏觀檢驗(yàn)

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)

換熱器的主體結(jié)構(gòu)型式為管殼式,支座型式為鞍座式,安裝形式為臥式,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of heat exchanger

換熱器中換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊加貼脹,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)Fig.2 Connection structure of heat exchange tube and tubesheet

換熱器的內(nèi)徑為900 mm,長(zhǎng)度為9 741 mm,換熱面積容積為380.3 m2,換熱管材質(zhì)為S30408,其他主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 換熱器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of heat exchanger

1.2 宏觀檢驗(yàn)

換熱器運(yùn)行期間,工藝參數(shù)分析結(jié)果表明換熱管可能存在泄漏。為證實(shí)換熱管是否發(fā)生泄漏以及確定泄漏的位置和嚴(yán)重程度,化工廠對(duì)換熱器進(jìn)行了停機(jī)檢驗(yàn),對(duì)打開(kāi)后的換熱器進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)管程出口側(cè)有多根換熱管發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂,開(kāi)裂位置處在換熱管與管板貼脹部位,見(jiàn)圖3。

圖3 換熱管開(kāi)裂Fig.3 Cracking of heat exchange tube

為分析換熱管開(kāi)裂的具體原因,文章對(duì)換熱管發(fā)生開(kāi)裂的部位進(jìn)行了取樣。由未完全開(kāi)裂的部位可看出,裂隙由管子內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。管子外壁無(wú)明顯腐蝕,內(nèi)壁有明顯的點(diǎn)狀腐蝕,見(jiàn)圖4。

圖4 換熱管內(nèi)壁點(diǎn)狀腐蝕Fig.4 Spot corrosion on the inner wall of heat exchange tubes

2 理化檢測(cè)

2.1 化學(xué)成分分析

采用火花放電原子發(fā)射光譜法在換熱管試樣上完好的位置進(jìn)行了化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見(jiàn)表2。從分析數(shù)據(jù)可以看出,各元素含量測(cè)定值在GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫管》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi),換熱管材質(zhì)無(wú)異常,由此可排除換熱管材質(zhì)不合格導(dǎo)致開(kāi)裂的可能。

表2 換熱管化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of heat exchange tube %

2.2 金相分析

選取換熱管開(kāi)裂部位制備金相分析試樣并進(jìn)行觀察,裂紋的形貌見(jiàn)圖5。從金相照片可以看出,管子的顯微組織為奧氏體,裂紋主體較粗,尖端較細(xì),有分叉,呈樹(shù)枝狀,穿晶擴(kuò)展,裂紋內(nèi)有腐蝕產(chǎn)物。

圖5 裂紋金相形貌Fig.5 Crack metallographic appearance

通過(guò)對(duì)裂紋微觀形貌的觀察,可以確定換熱管的開(kāi)裂類(lèi)型為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,同時(shí)亦可排除發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的可能。因連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理是奧氏體不銹鋼材料發(fā)生敏化,造成晶界弱化,連多硫酸對(duì)弱化的晶界進(jìn)行選擇性腐蝕而導(dǎo)致開(kāi)裂,其裂紋形貌通常為沿晶擴(kuò)展[4-8]。

2.3 掃描電鏡分析

試樣開(kāi)裂斷面上面附著有較多的紅褐色腐蝕產(chǎn)物,用純水超聲波清洗,無(wú)法清除腐蝕產(chǎn)物。將斷面置于掃描電鏡(SEM)下對(duì)其微觀形貌觀察,可看出斷面呈解理斷裂,且斷面上存在二次裂紋,見(jiàn)圖6。

圖6 裂紋斷面SEM形貌Fig.6 SEM morphology of crack section

2.4 能譜分析

對(duì)開(kāi)裂部位試樣開(kāi)裂面上的腐蝕產(chǎn)物(經(jīng)純水清洗)和點(diǎn)腐蝕部位試樣腐蝕坑洞周邊的腐蝕產(chǎn)物(經(jīng)無(wú)水乙醇清洗)進(jìn)行了能譜分析(EDS),分析位置見(jiàn)圖7,分析譜線見(jiàn)圖8。

圖7 能譜分析位置Fig.7 Energy spectrum analysis position

圖8 腐蝕產(chǎn)物譜線Fig.8 Corrosion product spectrum

從腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果看,開(kāi)裂面腐蝕產(chǎn)物中主要含C、O、S、Cr、Fe、Ni等元素,點(diǎn)蝕坑洞周邊腐蝕產(chǎn)物中主要含C、O、S、Cl、Cr、Fe等元素。開(kāi)裂面腐蝕產(chǎn)物中S、O元素含量非常高,點(diǎn)蝕坑洞周邊腐蝕產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)有Cl元素存在。經(jīng)分析,開(kāi)裂面腐蝕產(chǎn)物中未發(fā)現(xiàn)Cl元素存在的原因是其試樣經(jīng)水洗導(dǎo)致氯化物溶解。

3 開(kāi)裂原因分析

3.1 工藝條件

換熱器管程內(nèi)的工藝介質(zhì)是脫氫后的CO2氣體,含有少量H2S、O2、COS、氯化物及水分。管程的進(jìn)口溫度為189.8 ℃,出口溫度為83.3 ℃。設(shè)備的工藝條件有利于管程介質(zhì)中的水分在出口處冷凝成液態(tài)水,H2S溶于水后形成濕硫化氫環(huán)境,氯化物溶于水后會(huì)生成游離態(tài)的氯離子。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊加貼脹,貼脹會(huì)使換熱管發(fā)生形變,在變形部位存在較大的內(nèi)應(yīng)力,尤其是管子貼脹與未脹的過(guò)渡區(qū),存在非常大的拉應(yīng)力[9]。另外,管子貼脹部位的壁厚相對(duì)其他部位會(huì)減薄,加工后在貼脹部位形成凹坑,管子內(nèi)冷凝的液體會(huì)集聚在凹坑內(nèi),并不斷濃縮。

3.3 設(shè)備材料

該換熱器的換熱管材質(zhì)為S30408,組織為奧氏體,碳含量相對(duì)較高,在濕硫化氫和氯化物環(huán)境下具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性。

有研究表明,當(dāng)腐蝕性溶液pH值<7時(shí),材料的敏感性隨pH值的降低而增加,另外氯化物對(duì)材料的應(yīng)力腐蝕敏感性也有顯著影響。腐蝕性溶液中溶解氧含量在一定范圍內(nèi)對(duì)裂紋的擴(kuò)展速率有顯著影響,當(dāng)溶液中溶解氧含量<200 μg/L時(shí),裂紋擴(kuò)展速率隨溶解氧含量的增加而明顯上升[10]。

綜合以上分析,在管程出口換熱管貼脹部位具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的三個(gè)條件。文章認(rèn)為造成該換熱器失效的原因是304奧氏體不銹鋼換熱管在濕硫化氫和氯化物環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[11]。

4 結(jié)論與建議

1)宏觀檢驗(yàn)和理化檢測(cè)分析結(jié)果表明,換熱管在濕硫化氫和氯化物環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2)制備腐蝕產(chǎn)物能譜分析試樣時(shí),應(yīng)用無(wú)水乙醇而非水對(duì)試樣進(jìn)行清洗,避免潛在氯化物溶解。

3)工藝方面,建議嚴(yán)格控制換熱器管程進(jìn)口處的介質(zhì)組分,盡量降低其中的硫化氫、氯化物和水汽含量,防止在管程末端形成腐蝕性環(huán)境。

4)應(yīng)力控制方面,建議優(yōu)化換熱管與管板的連接方式,避免換熱管局部存在較高的拉伸應(yīng)力。

5)材料控制方面,建議將換熱管更換為抗應(yīng)力腐蝕性能更好的超低碳奧氏體不銹鋼、含鉬奧氏體不銹鋼或者雙相不銹鋼。