哈雷釬焊板式換熱器
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                0Cr13Al不銹鋼管束沖蝕原因分析及對策

                點擊:1730 日期:[ 2014-04-26 21:13:55 ]
                                 0Cr13Al不銹鋼管束沖蝕原因分析及對策                       郭超 韓長軍 辛敏東 李俊峰                    中國石油工程建設公司北京100120     摘要:阿爾及利亞某煉化工程一臺凝析油/重柴油換熱器抽芯檢查過程中發現換熱管束有明顯沖刷腐蝕.發生腐蝕的部位正對重柴油入口,該處管束頂部有密集分布的沖蝕坑及麻點,底部蝕坑表面有油污及腐蝕產物附著.通過金相和掃描電鏡觀察、能譜分析及雙環電化學動電位再活化等多種方法分析了沖刷腐蝕的成因和熱處理對TP405管束材料耐晶間腐蝕性能的影響,對換熱器殼程入口沖刷腐蝕預防措施和整改方案提出建議.     關鍵詞:換熱器 鐵素體 不銹鋼 沖蝕 晶間腐蝕     中圖分類號:TG172文獻標識碼:A文章編號:1002-6495(2012)03-0236-03     中石油阿爾及利亞某項目的一臺換熱器在投用不到一個月發生泄漏,在抽芯檢查過程中發現除換熱管焊接熱影響區附近發生晶間型應力腐蝕開裂[1]之外,正對重柴油入口處的換熱管正面和背面均存在嚴重蝕坑,總厚度只有2 mm的管壁最嚴重處蝕坑深度已達0.3 mm.該換熱器為凝析油/重柴油管殼式換熱器,殼程為壓力0.73 MPa及溫度330℃的重柴油,流速0.11 m/s.換熱器管束材料為0Cr13Al鐵素體不銹鋼,對應ASTM A268標準的TP405系列.發生沖刷腐蝕的具體位置示意圖如圖1所示.                    發生沖刷腐蝕的位置為正對著重柴油入口的換熱管的正面直徑10 cm左右的范圍和背面直徑7 cm左右的范圍.從最上面第一層換熱管往下,發生破壞的換熱管數量逐層遞減,破壞程度也逐漸降低.在重柴油出口處及換熱器其他位置未發現明顯的沖刷腐蝕現象.     1·實驗方法     換熱器抽芯后仔細檢查發生沖刷腐蝕的區域,用深度卡尺測量蝕孔的深度.然后用便攜式電動砂輪機從腐蝕區域兩側15 cm的位置將換熱管切割取樣.用手鋸或線切割將腐蝕的局部取出制備試驗試樣.金相試樣的制備首先采用300#~1500#水砂紙打磨,再用絨布拋光至鏡面效果,然后用15 g FeCl3+50 mL HCl+120 mL H2O配成的侵蝕液在室溫下侵蝕.金相觀察采用XTS1000體視顯微鏡及4XC型光學顯微鏡配以尼康S4500圖像采集系統.用HitachiS-4700掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣表面的顯微形貌,用LEICA S440i掃描電子能譜儀對不銹鋼基體以及腐蝕產物成分進行分析.極化曲線回掃環測試在30℃的0.5 mol/L H2SO4+0.01 mol/L KSCN溶液中以100 mV/min的速度掃描,在0.5 V(vs.SCE)反向回掃至自腐蝕電位以下.     2·結果與討論     重柴油入口處的換熱管上方和下方由于受到重柴油中腐蝕性介質的高溫沖刷作用發生破壞,腐蝕形態具有明顯的沖蝕特征(圖2).沖蝕主要發生在這兩處是因為換熱管的正上方是受沖擊最嚴重的部位,而正下方由于兩邊流體的高速流動使得中間部位更容易產生負壓,使得從周圍管束反射回的液流在此處形成二次沖擊.從蝕坑的形貌可以看出,腐蝕嚴重部位蝕坑多是一邊陡一邊緩的簸箕形,符合沖刷腐蝕的形貌特征.分散的點狀腐蝕可能是金屬基體的夾雜、偏析等缺陷所造成的.     點蝕坑的SEM照片顯示,換熱管頂側(圖3a)的蝕坑腐蝕附著產物較少,可以看到清晰的晶界結構,晶粒尺寸在20~30μm左右;而換熱管底側(圖3c)有潰瘍狀特征,蝕坑表面大多覆蓋有腐蝕產物和油污,去除腐蝕產物后則可觀察到與換熱管頂側(圖3a)類似的晶界結構.這些腐蝕產物和油污可能是在換熱器水壓檢漏后匯集到換熱管的底面凝結干燥后形成的.這表明晶界有偏析發生,使得晶界部位明顯弱化,在沖刷作用下,晶界部分優先發生腐蝕.由于加工和服役過程該部位都低于敏化溫度,該部位又不處于焊接熱影響區,因此該偏析很可能是在材料加工以前就存在.     換熱管基體材料的金相分析結果(圖4)表明,該換熱器基體主要結構為鐵素體,同時伴有部分夾雜.由于前期對換熱管泄漏部位的檢查分析時曾發現明顯的晶間腐蝕現象[1],在圖3中也可發現晶界部位的優先腐蝕.適當的熱處理工藝可以降低或消除材料的晶間腐蝕傾向,并提高材料的力學性能.因此有必要對換熱管束材料的晶間腐蝕敏感性進行評價,并對不同熱處理工藝下的耐晶間腐蝕性能進行比較.在眾多不銹鋼晶間腐蝕敏感性評價方法中雙環電化學動電位再活化法(DLEPR)由于簡便、快捷、非破壞性并可對材料的耐晶間腐蝕性能進行量化而得到廣泛應用[2~4].通過DLEPR與草酸浸蝕法等研究方法綜合比較,發現DLEPR測試結果與材料的敏化程度有良好的對應關系,且能靈敏定量地反映低敏化材料的晶間腐蝕敏感性的變化[5].對換熱管樣品在不同溫度下保溫30 min空冷后的試樣在KSCN-H2SO4溶液中進行DLEPR測試,結果如圖5所示,解析后的EPR數值列于表1.當Ir/Ia值大于0.05時,一般認為材料具有晶間腐蝕敏感性,該比值越大則晶間腐蝕敏感性越高[6,7].由測試結果可知,隨著熱處理溫度的升高,換熱管的晶間腐蝕敏感性指數在800℃左右達到最小值,表明TP405換熱器管束材料在800℃條件下進行熱處理可以有效地降低其晶間腐蝕傾向.                     3·結論     該TP405換熱管束的沖蝕是晶間腐蝕敏感的鐵素體基體在高溫重柴油的沖擊作用下產生的.因此,應從換熱器的內部結構設計、換熱管束選材等方面嚴格把關.對換熱管嚴格按照工藝要求做好熱處理,消除晶界等耐腐蝕薄弱環節.具體建議如下:     (1)換熱器設計時在殼程入口位置設置折流板,避免對換熱管局部的直接沖刷.     (2)對換熱器管束材料質量嚴格控制,減少夾雜、偏析等影響金屬基體性能的缺陷.     (3)選擇晶間腐蝕敏感性低的合金作為換熱管材料,如321不銹鋼等.     (4)若采用有晶間腐蝕傾向的不銹鋼應根據其特點選擇適當的熱處理工藝,消除晶間腐蝕傾向. 參考文獻 [1]韓長軍,郭超,辛敏東.TP405換熱器管束失效分析及對策[J].腐蝕科學與防護技術,2011,23(3):277 [2]胡方堅,伍玉琴,鐘祥玉等.鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕性能研究[J].腐蝕科學與防護技術,2009,21(2):110 [3]徐菊良,鄧博,孫濤等.DLEPR法評價2205雙相不銹鋼晶間腐蝕敏感性[J].金屬學報,2010,46(3):380 [4]Cleiton C S,Jesualdo P F,Hosiberto B S A.Evaluation of AISI316L  stainless steel welded plates in heavy petroleum environment[J].Mater. Des.,2009,30:1581 [5]高中平,陳范才,趙常就.EPR法評價晶間腐蝕敏感性的各種判據的比較[J].中國腐蝕與防護學報,2000,20(4):243 [6]查小琴,賈思慶.EPR法評價不銹鋼復合板晶間腐蝕敏感性的研究[J].腐蝕科學與防護技術,2010,22(3):224. [7]方智,張玉林,吳蔭順等.電化學動電位再活化法評價308L不銹鋼的晶間腐蝕敏感性[J].腐蝕科學與防護技術,1996,8(2):4
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