王朝平

(中國石化上海高橋石油化工有限公司,上海200137)

奧氏體不銹鋼的點(diǎn)腐蝕＋腐蝕疲勞開裂是煉化企業(yè)中一種常見的失效形式【1G2】,常在鹵素離子環(huán)境,尤其是氯離子與外界應(yīng)力耦合作用的環(huán)境下產(chǎn)生,且不易被察覺,一旦發(fā)生失效,會給企業(yè)的正常生產(chǎn)造成較為嚴(yán)重的危害和損失【3G4】.

某煉油企業(yè)加氫裂化裝置中1臺反應(yīng)產(chǎn)物與低分油換熱器服役13年后,發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏失效情況.拆解該換熱器后發(fā)現(xiàn),換熱管的管束集合中,位于殼程低分油入口處的2根外側(cè)換熱管已經(jīng)斷裂、脫出,如圖1所示.管束上部基本完好,下部有部分白色偏黃的鹽垢,近管板處管子外積垢多,剝除后,垢層下管子外觀良好.

圖1 換熱管管束集合

該換熱器為1臺雙殼程U形管式螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器,管箱材料為15Cr Mo(H)＋堆焊(309L型＋347型),殼程材料為Q345R,管板材料為鍛件15Cr Mo(H)＋堆焊(309L型＋347型),換熱管材料為06Cr18Ni11Ti(TP321),操作溫度及壓力如表1所示;殼程介質(zhì)為低分油,管程介質(zhì)為加氫裂化反應(yīng)產(chǎn)物,具體工藝流程如圖2所示.

圖2 包含失效換熱器的工藝流程示意

表1 失效換熱器操作溫度及壓力

1 換熱管檢測分析

1．1 斷口宏觀分析

從換熱管斷裂位置進(jìn)行觀察,A、B兩根換熱管斷裂位置均位于管板附近(如圖3所示),換熱管A斷裂處位于管板低壓側(cè)距管板約20 mm,換熱管B斷裂處位于管板低壓側(cè)距管板約60 mm.

圖3 換熱管斷裂位置

觀察發(fā)生斷裂的換熱管A、B斷口部位[分別標(biāo)記為斷口a、斷口b,如圖4(a)和圖4(b)所示]發(fā)現(xiàn):斷口a、b均無明顯的塑性變形,屬于脆性斷裂;斷口a與換熱管軸向大致垂直;斷口b與換熱管軸向夾角大致為45°,說明該換熱管在安裝過程中存在扭矩.同時還發(fā)現(xiàn),換熱管B內(nèi)壁存在點(diǎn)蝕情況,點(diǎn)蝕坑呈碗狀【5】,坑底部存在微裂紋.

1．2 材料化學(xué)成分分析

對換熱管取樣進(jìn)行材料化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示.將該結(jié)果與GB/T 13296—2013?鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管?【6】中關(guān)于06Cr18Ni11Ti材料化學(xué)成分的技術(shù)要求進(jìn)行比對,結(jié)果顯示,失效換熱管材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

1．3 斷口掃描電鏡及能譜分析

通過掃描電鏡對斷口a形貌進(jìn)行觀察,如圖5和圖6所示.由圖5可見,斷口a表面存在貝殼紋的痕跡,較平整區(qū)域疑似疲勞起裂區(qū),裂紋源位于內(nèi)壁.在掃描電鏡下可觀察到斷口a斷面上存在放射紋,通過回溯放射紋的交匯點(diǎn),可判斷出起裂點(diǎn)位于換熱管內(nèi)壁(如圖6所示).通過高倍鏡(1600×)對擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行觀察,可觀察到明顯的疲勞輝紋,因此可以認(rèn)定,該換熱管斷裂情況為疲勞斷裂.

圖4 宏觀斷口形貌

表2 06Cr18Ni11Ti換熱管化學(xué)成分分析與標(biāo)準(zhǔn)對比 單位:w,%

圖5 換熱管A起裂區(qū)

通過掃描電鏡對斷口b及點(diǎn)蝕坑底部的微裂紋形貌進(jìn)行觀察,如圖7和圖8所示.從圖7中可以發(fā)現(xiàn),斷口b存在較為清晰的起裂源與貝殼紋,因此推測該斷口為疲勞斷口.通過掃描電鏡放大觀察發(fā)現(xiàn),斷口b表面存在多處起裂點(diǎn),可劃分出較為明顯的疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)(如圖8所示);進(jìn)一步將疲勞擴(kuò)展區(qū)放大至更高倍數(shù)(1 700×),可觀察到疲勞輝紋;同時,通過高倍鏡(1 100×)對瞬斷區(qū)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),瞬斷區(qū)的大部分形貌已遭到破壞,但是仍然可以觀察到一部分韌窩的存在.由此可判定,換熱管B是由于疲勞發(fā)生斷裂的.

通過機(jī)械手段打開換熱管B內(nèi)壁點(diǎn)蝕坑底部的微裂紋,觀察裂紋表面形貌,如圖9所示.已有研究表明:點(diǎn)蝕在演化過程中可逐步過渡產(chǎn)生疲勞裂紋【7】.由圖9可以看出:點(diǎn)蝕坑底部微裂紋表面具有典型的河流狀脆性解理開裂特征,屬于脆性開裂裂紋;河流狀花樣從內(nèi)壁擴(kuò)展至外壁,證明裂紋從管內(nèi)壁起裂.

由于兩處斷口均從內(nèi)壁起裂,而內(nèi)壁直接與介質(zhì)接觸,考慮到管內(nèi)介質(zhì)對于換熱管材料的影響,對斷口b處進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如表3所示.結(jié)果顯示:表面殘余有一定量的氯元素.而奧氏體不銹鋼材料對于氯元素較為敏感,可能產(chǎn)生腐蝕疲勞開裂等問題.

圖6 斷口a表面形貌

圖7 換熱管B起裂源

圖8 斷口b表面形貌

圖9 微裂紋表面形貌

表3 斷口b表面能譜分析結(jié)果 單位:w,%

1．4 金相分析

為進(jìn)一步分析換熱管內(nèi)壁情況,對換熱管A未開裂部位進(jìn)行機(jī)械加工取樣,并進(jìn)行金相分析.試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后,再經(jīng)草酸溶液進(jìn)行電解侵蝕處理.處理后試樣的金相組織如圖10所示.從圖10金相組織照片(200×)中可以觀察到:換熱管材料的金相組織為奧氏體組織,換熱管內(nèi)壁存在大量裂紋;裂紋尖端圓鈍,不存在樹枝狀穿晶開裂特征,可以排除應(yīng)力腐蝕開裂的可能.結(jié)合換熱管B內(nèi)壁處出現(xiàn)的點(diǎn)蝕現(xiàn)象,可推斷出裂紋符合奧氏體不銹鋼腐蝕疲勞開裂的裂紋特征.

圖10 換熱管取樣部位及金相

2 分析與討論

腐蝕疲勞是材料在交變載荷引起的循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下造成的一種失效形式.單一的腐蝕或是交變載荷作用未必會對設(shè)備造成顯著的失效風(fēng)險,材料對于常規(guī)的疲勞也都會存在一定的疲勞極限.而在二者共同作用的環(huán)境下,即使腐蝕介質(zhì)濃度不高或是循環(huán)應(yīng)力不大,也可在材料中快速形成穿透性裂紋【8】.

通過上述分析手段對發(fā)生斷裂的換熱管A、B進(jìn)行分析可以確定,內(nèi)壁的點(diǎn)腐蝕＋腐蝕疲勞開裂是此次失效的直接原因,即氯離子富集導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)壁06Cr18Ni11Ti材料表面鈍化膜遭到破壞造成點(diǎn)蝕,以點(diǎn)蝕坑底部作為起裂源,在交變載荷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展,最終過載導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生斷裂.因此需要對腐蝕介質(zhì)的影響和交變載荷的來源進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論.

2．1 腐蝕介質(zhì)

失效的換熱管采用06Cr18Ni11Ti材料.該材料具有優(yōu)異的高溫性能和耐晶間腐蝕性能,是加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)高壓換熱器中常用的材料.而氯等鹵族元素可破壞不銹鋼表面鈍化膜,形成點(diǎn)蝕坑,同時所形成的點(diǎn)蝕坑底部可作為陽極,與具有鈍化膜的金屬表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕作用,使得表面鈍化膜持續(xù)遭到破壞,材料不斷被侵蝕【9】.若材料存在循環(huán)應(yīng)力,則在點(diǎn)蝕坑底部會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得組織發(fā)生塑性流動,萌生微裂紋.而材料發(fā)生塑性滑移的區(qū)域,其腐蝕活性得到增強(qiáng),金屬溶解加速,導(dǎo)致腐蝕進(jìn)一步加劇.在循環(huán)應(yīng)力的繼續(xù)作用下,微裂紋最終擴(kuò)展形成腐蝕疲勞裂紋【10】,如圖11所示.

圖11 腐蝕疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展過程示意

通過斷口能譜分析及換熱管內(nèi)壁金相觀察可以確定,失效換熱管的材料表面存在一定量的腐蝕介質(zhì),尤其是氯元素,導(dǎo)致?lián)Q熱管的管內(nèi)壁產(chǎn)生了大量尖端圓鈍的裂紋.由于參與加氫裂化反應(yīng)的原料油及循環(huán)氫中可能含有微量的無機(jī)氯化物,而該失效換熱器位于加氫裂化反應(yīng)系統(tǒng)的下游,管內(nèi)介質(zhì)為200℃左右的加氫反應(yīng)產(chǎn)物,管程出口處正好為氯化銨鹽的結(jié)晶析出溫度,因此換熱管內(nèi)壁極有可能受氯離子侵蝕產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑【11】.

2．2 交變載荷

失效的換熱器屬于典型的高低壓差換熱器,管、殼程的兩側(cè)壓差較大,極易因壓差產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動.其管束為U形管,管程介質(zhì)為加氫裝置的反應(yīng)產(chǎn)物,雖然介質(zhì)壓力較高,但流量一直比較穩(wěn)定;而殼程流體為低分油,流體從下部沿垂直于換熱器殼體的方向進(jìn)入殼程,沖擊管束中的換熱管,因此該管束受到一個垂直于管束軸向的載荷沖擊.從發(fā)生斷裂的兩根換熱管位于管束集合最外側(cè)可以發(fā)現(xiàn),該處換熱管受沖擊載荷作用比較明顯.查閱該換熱器殼程側(cè)的工藝流程和近一年的流量操作趨勢曲線發(fā)現(xiàn),其殼程側(cè)為便于工藝操作調(diào)整,設(shè)有一組流體進(jìn)料的溫控調(diào)節(jié)副線,受上游溫控的影響,進(jìn)入殼程的流體流量不太穩(wěn)定,其誘導(dǎo)產(chǎn)生的循環(huán)沖擊載荷使得管束在近管板處(進(jìn)料處)產(chǎn)生較大的彎矩.此外,兩處斷裂部位均位于換熱管近管板處內(nèi)側(cè)邊緣,而近管板處換熱管相對運(yùn)動受限,因此即使管束末端所受交變載荷極小,在近管板處的管截面上也將產(chǎn)生明顯的循環(huán)應(yīng)力.

綜上所述,該換熱器換熱管束由于受到殼程流體垂直方向上的沖擊載荷,加之管內(nèi)介質(zhì)存在一定量含氯化物的腐蝕物,導(dǎo)致管內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)蝕,進(jìn)而在循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生腐蝕疲勞,最終導(dǎo)致疲勞斷裂.

3 建議及改進(jìn)措施

換熱器的換熱管斷裂失效是由于點(diǎn)腐蝕＋腐蝕疲勞導(dǎo)致的,造成斷裂的主要原因是管程介質(zhì)中存在氯化物等腐蝕性元素導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生,且管束受殼程介質(zhì)沖擊載荷影響,在近管板處產(chǎn)生一定的循環(huán)應(yīng)力,促進(jìn)了腐蝕坑處疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展.針對上述結(jié)論,建議及改進(jìn)措施有:

1)在殼程的換熱管進(jìn)料區(qū)域設(shè)置防沖擋板,避免流體對換熱管的直接沖擊,減少或消除近管板處換熱管受到的循環(huán)應(yīng)力;

2)加強(qiáng)加氫裂化裝置的進(jìn)料控制管理,減少加氫裂化原料和加氫所用氫氣的氯離子含量;

3)強(qiáng)化換熱器尤其是殼程側(cè)前序工藝的溫度控制,盡可能保持操作工藝流量的穩(wěn)定性.