哈雷釬焊板式換熱器
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                U形管換熱器管板連接處管子開裂原因分析

                點擊:1755 日期:[ 2014-04-26 21:08:23 ]
                                         U形管換熱器管板連接處管子開裂原因分析                                   楊勝林  魏小平                           (中國石油工程建設公司北京100011)     【摘要】對U形管換熱器泄漏的管子進行了化學成份分析、力學性能測試,并借助于光學和掃描電鏡對管子開裂處進行了顯微組織、斷口宏觀和微觀分析,得出管子與管板連接處管子開裂的原因是由連多硫酸引起的應力腐蝕(SCC)。     【關鍵詞】U形管換熱器  奧氏體不銹鋼  連多硫酸  應力腐蝕 某煉油廠一套煤油加氫裝置位號為E-001B的U形管換熱器管頭處經常發生泄漏,最短的7天內發生了兩次,嚴重影響該裝置的長周期運行。本文就該臺換熱器管子開裂原因進行了分析研究,得出了該換熱管開裂的原因。     1 U形管換熱器基本參數     表1 E-001B反應餾出物/低份油換熱器操作條件           2  失效換熱器的宏觀檢查管子與管板連接圖及裂紋部位如圖1。根據對工藝介質的檢測結果,低份油中H2S濃度約為300ppm-500ppm,液態水在正常生產情況下為60ppm-70 ppm(液態水的含量有時會因誤操作遠遠超過ppm級別);反應餾出物中H2S濃度約為18000ppm-20000ppm,其中氣油比(氫氣:直餾煤油)為400:1,除此之外,反應餾出物中還含有HCl、NH4Cl、N2等雜質,其中氯離子含量會因常減壓裝置電脫鹽的脫氯效果而受到影響。                                       3 失效換熱器管子的檢查與檢驗     3.1換熱器管板與管子連接形式微觀檢查     為了確定E-001B發生泄漏的部位,為下一步分析研究提供基礎性數據,在E-001B管板上未進行補焊的部位進行著色檢查,以確定管子與管板焊接處有無裂紋發生以及裂紋的走向。檢驗結果表明:在伸出管板1.5mm的管子上,沿著管子軸線方向有裂紋產生并向管內擴展,同時管板及管子上有大量的腐蝕凹坑(這是由氯離子引起的坑蝕)。     3.2化學成份分析     取E-001B換熱器管束中發生泄漏的長約250mm的管子做為試樣進行化學成份分析,結果見表2。分析結果表明,管子材料完全符合GB13296-2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》標準中對0Cr18Ni10Ti不銹鋼化學成份的要求。          3.3常溫拉伸性能試驗     為了分析0Cr18Ni10Ti不銹鋼換熱管在服役期間是否發生了材質劣化導致管子泄漏,在非裂紋區管束中截取三段長度均為250mm的管子做拉伸性能測試,試驗按GB228-1998標準進行,試驗結果見表3。                                 拉伸試驗結果表明,該管子的拉伸性能符合GB13296-200《7鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》對0Cr18Ni10Ti不銹鋼鋼管的拉伸性能要求。     3.4硬度測試     沿管子縱截面將管子切開并磨平以便進行硬度測試,結果見表4。硬度測試結果顯示,除了中間部位硬度稍高外,其余部位的硬度基本符合相關標準要求。                                 3.5金相檢驗     取未開裂管段的管子及管頭處有裂紋(含裂尖)的管口試樣做金相試驗,對沒有開裂的管子沿縱向切開進行金相觀察,對含有裂紋的管子沿縱截面和橫截面切開,取樣后要對試樣采用機械拋光、化學浸蝕處理。管子及焊縫的金相組織和裂紋形貌見圖2。          圖2(a)為未開裂管段的金相組織,可見金相組織為均一的單相奧氏體,有孿晶,金相組織正常,圖中的小黑點為析出的碳化物;圖2(b)為焊縫金屬的金相組織圖;圖2(c)為管口處金相圖,這是典型的晶間腐蝕裂紋:裂紋呈沿晶擴展形態,裂紋深度大約有2-3個晶粒厚度,且沿晶開裂的裂紋處各個晶粒已彼此相對孤立。從上述圖示的裂紋形態分析可知,該不銹鋼管束在服役中,可能受到大量硫化物和氯化物的腐蝕,裂紋形態呈現出典型的應力腐蝕(連多硫酸應力腐蝕和氯化物應力腐蝕)開裂的特征。     3.6斷口能譜分析     從管子與管板焊接處截取含有裂紋的試樣,將裂紋打開,對斷口腐蝕產物進行能譜分析。斷口能譜分析結果見表5??梢?,斷口上存在大量的腐蝕產物基本為氧化物和硫化物,并含有一定數量的氯化物??梢詳喽?,E-001B管頭處發生失效的原因極有可能與硫化物和氯化物有關。     3.7斷口掃描電鏡分析     圖3為E-001B換熱器管子開裂處裂紋斷面的掃描電鏡形貌。從圖中可以看到,斷口上存在二次裂紋,斷口呈解理形貌,具有河流狀花樣和泥狀花樣的特征,這是應力腐蝕常見的斷口形貌。     4 發生連多硫酸應力腐蝕的原因分析     文獻[1]中,李志強通過大量的工程實例研究了發生連多硫酸應力腐蝕的裂紋形貌特點為沿晶裂紋,結合該文獻的研究成果,綜合以上分析,可以得出該換熱器管子失效的原因是連多硫酸應力腐蝕。     4.1具備連多硫酸的形成條件在停工時,如果不進行保護或保護不當,會有空氣進入加氫反應器或E-001B中,在開車時進入反應器中的空氣隨著循環氫壓縮機的開啟,隨氣體循環流出反應器的硫化物,在低于露點積液,于是E-001B表面可能產生連多硫酸;另外,在每次出現泄漏,對E-001B泄漏部位堵管時,必須先把E-001B溫度降至常溫,并且該加氫車間并沒有采取任何對換熱管與空氣隔絕的防護措施,這樣便不可避免地使氧氣與換熱管直接接觸,從面導致形成了連多硫酸。4.2對連多硫酸敏感的材料0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼對Cl-、H2S、SO2應力腐蝕非常敏感(這里不再冗述)。需要說明的是,通常情況下,如果不銹鋼中含碳量小于0.03%,會有效防止晶間腐蝕,但對E-001B管束化學成份分析顯示,其含碳量約為0.043%,所以這樣的含碳量還不足以有效地防止晶間腐蝕[2]。     4.3應力條件     在管口處,由于焊接引起的焊接殘余應力也是存在的,即使在設備制造過程中進行消除應力的熱處理,焊接殘余應力也不可能完全消除。特別地,在E-001B出現第一次泄漏后曾對管口進行大面積的補焊,而焊接完畢后沒有進行任何消除焊接殘余應力的熱處理(現場也不可能具備這種熱處理條件),所以肯定有焊接殘余應力存在于管頭處,其方向是任意性的,因此不能排除有沿管子環向的殘余應力,這也是造成在管口處發生SCC的力學因素之一。在具備了以上三個條件后,該換熱器管頭處便發生了由連多硫酸引起的應力腐蝕。     5 結論     (1)E-001B檢修期間,由于維護保養不當,造成大量空氣進入E-001B換熱管中,在“冷態”且有H2S+H2O存在條件下[2],生成了連多硫酸。     (2)管子在受到氯離子腐蝕(點蝕)的同時,也發生了連多硫酸的應力腐蝕,連多硫酸的應力腐蝕加速了管子開裂。     (3)反應餾出物中的硫化氫和氯化物的協同作用,加速并加劇了管子開裂的進程。     參考文獻     [1]李志強.連多硫酸溶液中奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂[J].腐蝕工程科學防護技術,1995,7(1):58-65.     [2]崔思賢.石化工業連多硫酸引起的應力腐蝕開裂及其防護措施[J].石油化工腐蝕與防護,1996.13(1):1-5.
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