連善濤, 仵拴強, 冉高舉, 趙新建, 劉云秀, 蔣修民

(中化泉州石化有限公司, 福建 泉州 362100)

某煉油廠制氫裝置的中變氣-除鹽水換熱器開工使用3個月后,在殼程介質(除鹽水)中發(fā)現H2和CO2含量超標，由此判斷管束泄漏，管程介質(中變氣)泄漏進入殼程。拆卸管箱試壓檢查時，發(fā)現管板上有多處裂紋。為了查找管板產生裂紋的具體原因，對其進行了失效分析。

1 換熱器基本情況

1.1 換熱器主要技術參數

換熱器采取兩管程、雙殼程的U型管換熱器結構，換熱管與管板的連接方式為強度焊加貼脹，殼程筒體材質為Q345R，管箱和封頭為304L，換熱管材質為304L，規(guī)格為φ19 mm×2 mm;管板材質為16MnⅣ+堆焊(E309L+E347),管板厚度為230 mm。其主要技術參數見表1。

表1 中變氣-除鹽水換熱器主要技術參數

1.2 管板裂紋情況

管板與管頭泄漏部位主要集中在管程的出口及管板的下側左區(qū)，如圖1所示。在管板上方殼程側邊緣有幾處腐蝕凹槽。

圖1 裂紋發(fā)生部位

管殼程介質的分析數據見表2。

表2 介質分析結果

2 管束失效分析

2.1 宏觀分析

2.1.1 裂紋檢查

裂紋基本局限在下管程的195 mm×80 mm區(qū)域內，在管橋、管頭及管子上均發(fā)現裂紋。

2.1.2 剖面檢查

將樣品剖開分為3塊，選取有裂紋的一塊樣品沿平行管板表面再剖開分為兩部分。剖開后發(fā)現換熱管除了一根留在管板內，其余均從管板管孔中脫落，說明管板孔與管子之間未能有效貼脹,管子與管板孔之間存在明顯間隙。管子外壁的管板孔存在嚴重腐蝕，孔橋腐蝕穿透相通，管板孔直徑明顯擴大(管子與管板孔的間隙有的已達2.5 mm)，這些管板孔正好與發(fā)生開裂的管橋、管頭部位相對應。

2.2 金相分析

2.2.1 裂紋金相分析

選取典型裂紋樣品JX1和JX2進行金相分析，JX1試樣上有2條裂紋(1-1和1-2)。裂紋1-1為貫穿性裂紋，一端在管頭角焊縫表面上，另一端在管子上;裂紋1-2由管板與管子相連的角焊縫根部開裂向角焊縫擴展。

JX2存在二處裂紋(裂紋2和裂紋3)，裂紋2和裂紋3均由管板的管橋處開裂，沿著管板垂直方向擴展，裂紋3由管板與管子相連的角焊縫根部開裂向角焊縫處擴展，見圖2。共計4條裂紋均以穿晶開裂為主，局部有沿晶開裂特征。

圖2 裂紋局部放大照片

2.2.2 金相組織和管板基材腐蝕分析

對管板、管子及管板與管子相連的角焊縫進行金相組織觀察發(fā)現，各檢測部位的金相組織正常，管板基材的晶粒較粗大，見圖3。

圖3 金相組織

宏觀檢查發(fā)現:管板基材部位與管子的外壁存在較大間隙(約2.5 mm)，間隙均是因為16MnⅣ材質管板被腐蝕造成的，腐蝕部位邊緣呈凹凸不平狀，奧氏體不銹鋼材質的堆焊層和管子均未被腐蝕。

2.3 硬度測試

選取JX2試樣進行硬度測試，測試部位的硬度基本正常。

2.4 斷口分析

選取一處裂紋部位，將其打開,觀察斷口的宏觀和微觀形貌。

2.4.1 斷口宏觀形貌

裂紋斷裂面呈褐色或咖啡色，管板基材的腐蝕面也呈咖啡色，人工打開面為灰色或白色。開裂部位有兩處，位于兩個管頭角焊縫表面上，裂紋深入到管板堆焊與基材過渡區(qū)，約8.0 mm，管板的基材腐蝕嚴重。

2.4.2 斷口微觀形貌

對該斷口進行清洗，在掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌。斷口開裂部位及附近基本為準解理斷口特征，擴展區(qū)為典型的疲勞特征，見圖4。

圖4 斷口微觀形貌

2.5 X射線能譜分析

2.5.1 斷口試樣

對典型斷口表面(見圖5)進行能譜分析，結果見表3。由表3可知：斷口表面結垢物和裂紋縫隙中主要有C,O,K,Na,Al,Ca和S等元素。金相試樣管板基材腐蝕部位主要有C和O兩種元素。

圖5 能譜分析選取的斷口試樣

表3 斷口能譜主要元素分析結果 w，%

2.5.2 金相試樣

對試樣JX2試樣的裂紋縫隙內和管板基材腐蝕部位進行能譜分析，結果見表4。由表4可知，裂紋縫隙內主要有C，O，K，Ca和S等元素。管板基材腐蝕部位主要有C和O元素。

表4 金相試樣主要元素能譜分析結果 w,%

2.6 化學成分分析

對管板基材、換熱管和管板堆焊層取樣，分別進行化學成分分析，結果見表5。分析結果表明,管板基材和換熱管的化學成分符合相關標準要求，堆焊層材質為奧氏體不銹鋼。

表5 化學成分分析結果 w,%

3 綜合分析

3.1 主要分析結果

管板裂紋基本局限在195 mm×80 mm區(qū)域內，在管橋、管頭及管子上均有裂紋存在。裂紋區(qū)域內的管板基材腐蝕嚴重，特別在堆焊層與基材過渡區(qū)附近，基材部分區(qū)域已被腐蝕掉了，有的區(qū)域呈疏松狀，僅剩下8 mm厚的堆焊層和角焊縫蓋面層。在裂紋區(qū)域以外的管板基材未見有明顯的腐蝕跡象，但管板孔與管子外壁局部仍存在間隙，說明管子與管板孔貼脹效果不佳。

金相裂紋以穿晶開裂為主，局部為沿晶特征。金相組織基本正常，管板基材的晶粒較粗大。管板基材和換熱管的化學成分均滿足相關標準要求。管板堆焊層、管板基材、管頭角焊縫、管子母材的硬度基本正常。斷口分析結果表明，開裂部位及周圍區(qū)域為準解理特征，擴展區(qū)為典型的疲勞特征。能譜分析結果表明，斷口表面結垢物和裂紋縫隙中含有Na等元素。

從宏觀檢查結果可見，中變氣換熱器管板存在兩種典型損傷現象，一種為管板開裂，另一種為管板孔內基材腐蝕。檢查裂紋分布情況，管板開裂包括管板與管子連接角焊縫徑向裂紋、環(huán)向裂紋和管橋裂紋，開裂局限在一個較小的范圍內，而且有一定的擴散性特征，其他部位未出現開裂情況。管孔內基材表面腐蝕產物主要含有C和O元素，由此可知管板基材腐蝕形成的凹槽是由于管板開裂后，高壓側管程的中變氣進入裂紋縫隙，其中CO2氣體溶于水形成碳酸，聚集在管板水側出口部位，對管板基材造成腐蝕，屬于管板開裂后造成的后果。

CO2與水結合生成碳酸,對碳鋼有強烈的腐蝕作用[1]，反應式如下：

(1)

因此，分析管板首次發(fā)生開裂的原因是關鍵。

3.2 首次發(fā)生裂紋的性質及部位分析

管板開裂存在兩種可能性，一種是從管程側管板表面開裂，沿著管板厚度擴展，另一種是管板與管子連接角焊縫根部開裂，向管板側管板表面擴展。

管程側管板表面有奧氏體不銹鋼堆焊層，可以耐正常操作時的管程介質中變氣中CO2腐蝕[1]69，且管程側管板表面也未見腐蝕痕跡，因此從管程側管板表面不銹鋼堆焊層開裂的可能性較小。從管板與管子連接角焊縫根部萌生裂紋，并向管程側擴展穿透不銹鋼堆焊層。

管子連接角焊縫根部萌生裂紋存在兩種可能的機理。一是由于振動導致個別管頭焊縫疲勞開裂;二是殼程除鹽水滲入后發(fā)生堿濃縮，造成管板與管子連接角焊縫根部(奧氏體不銹鋼)萌生堿應力腐蝕裂紋。存在介質濃縮條件時，堿質量濃度達到50～100 mg/L就足以引發(fā)開裂[2]。兩種可能性都與換熱管貼脹效果不佳(即欠脹)有關，因為欠脹不但會使管頭焊縫受力狀態(tài)惡化，增加疲勞損傷發(fā)生的可能性，還會因管子與管板孔間存在縫隙而導致殼程除鹽水進入，從而形成局部堿應力腐蝕環(huán)境。低合金鋼和碳鋼在苛性堿溶液中的應力腐蝕多數是陽極溶解型機理，在應力集中部位加速陽極溶解[3]。

隨著管孔縫隙堿度升高，熱濃堿對管板發(fā)生強烈腐蝕[4]，其反應式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

由于管板基材腐蝕程度與其接觸腐蝕介質的時間長短有關，接觸時間越長腐蝕越嚴重(即管孔直徑越大)?？拷舭宀鄣牟课桓g越嚴重，由此推斷最早發(fā)生開裂的位置應在開裂區(qū)域的上部靠近隔離槽的管子，而且存在應力腐蝕開裂或疲勞腐蝕的可能。

3.3 產生次生裂紋分析

一旦發(fā)生裂紋穿透，由于管程介質壓力高于殼程介質壓力，中變氣進入裂紋縫隙，其中CO2溶于水形成碳酸,對基材造成腐蝕。管板剖面檢查及5處裂紋斷口分析結果表明，腐蝕使得管孔尺寸變大，孔橋變小，有些部位靠近堆焊層的基材被完全腐蝕掉，導致管孔連通，腐蝕嚴重部位堆焊層承受的載荷明顯增加，在交變載荷作用下由角焊縫管程側表面萌生疲勞裂紋并擴展穿透堆焊層，同時也穿透換熱管。

4 結論與建議

通過對中變氣換熱器的管板進行理化分析，判斷管板失效是因管束在制造過程中，換熱管與管板的貼脹效果不佳，從而導致管頭與管板連接焊縫開裂。開裂機理存在兩種可能性，一是管束振動導致管頭焊縫疲勞開裂，而貼脹效果不佳也使得管頭焊縫受力狀態(tài)惡化，增加疲勞損傷發(fā)生的可能性；二是管子與管板孔間存在縫隙形成閉塞區(qū)，導致殼程鍋爐水進入，管程逆流換熱的中變氣溫度高，縫隙內除鹽水反復蒸發(fā)和沉積，堿不斷被濃縮，導致pH值升高，而換熱管與管板焊接及貼脹部位存在管口焊接殘余應力、溫差應力、脹接應力以及內應力，在其協同作用下，管板與管子連接角焊縫根部萌生堿應力腐蝕開裂。另外，裝置開工初期殼程除鹽水質量控制不穩(wěn)定，易造成鈉離子濃度升高，為縫隙腐蝕創(chuàng)造條件；管程中變氣對管板的沖刷、沖擊，也會加劇管板裂紋的擴張。

對于管束管板發(fā)生裂紋，建議采取以下幾條對策：

(1)中變氣換熱器的設計選材能滿足運行要求，但是管束制造過程中要控制管板與管子的貼脹質量，確保消除間隙。提高管板管孔的加工精度和換熱管的制造精度，貼脹過程中有效降低換熱管與管板的縫隙，降低殼程除鹽水側的堿濃縮等。可考慮換熱管外徑偏差采用GB/T 151—2014《熱交換器》要求的高精度，根據換熱管尺寸偏差選擇相應的管板管孔尺寸。

(2)管板強度焊后進行焊后熱處理，降低焊接殘余應力，使焊縫及熱影響區(qū)的應力保持在較低的水平，以降低應力腐蝕開裂的可能性，隨后再進行脹管。

(3)對于貼脹質量檢驗,必要時應進行拉脫試驗，以確保貼脹質量。

(4)U型管末端增加限位措施，從而減輕振動影響，增強管板角焊縫的抗振能力。

(5)在管束的介質入口部位增加防沖板，減少中變氣對管板的沖刷和疲勞損傷。

(6)管束殼程分程隔板設置透氣孔，減少除鹽水中的氣相對管束分程板的沖擊。

(7)裝置開工過程中，控制除鹽水堿含量，防止堿應力腐蝕開裂的發(fā)生。