U形管换热器管板连接处管子开裂原因分析

杨胜林  魏小平

 (中国石油工程建设公司北京100011)

    　【摘要】对U形管换热器泄漏的管子进行了化学成份分析、力学性能测试，并借助于光学和扫描电镜对管子开裂处进行了显微组织、断口宏观和微观分析，得出管子与管板连接处管子开裂的原因是由连多硫酸引起的应力腐蚀（SCC）。

    　【关键词】U形管换热器  奥氏体不锈钢  连多硫酸  应力腐蚀

　　某炼油厂一套煤油加氢装置位号为E-001B的U形管换热器管头处经常发生泄漏，最短的7天内发生了两次，严重影响该装置的长周期运行。本文就该台换热器管子开裂原因进行了分析研究，得出了该换热管开裂的原因。

    　1 U形管换热器基本参数

   　表1 E-001B反应馏出物/低份油换热器操作条件

     

    　2  失效换热器的宏观检查管子与管板连接图及裂纹部位如图1。根据对工艺介质的检测结果，低份油中H2S浓度约为300ppm-500ppm，液态水在正常生产情况下为60ppm-70 ppm（液态水的含量有时会因误操作远远超过ppm级别）；反应馏出物中H2S浓度约为18000ppm-20000ppm，其中气油比（氢气：直馏煤油）为400：1，除此之外，反应馏出物中还含有HCl、NH4Cl、N2等杂质，其中氯离子含量会因常减压装置电脱盐的脱氯效果而受到影响。

                                 

    　3 失效换热器管子的检查与检验

    　3.1换热器管板与管子连接形式微观检查

    　为了确定E-001B发生泄漏的部位，为下一步分析研究提供基础性数据，在E-001B管板上未进行补焊的部位进行着色检查，以确定管子与管板焊接处有无裂纹发生以及裂纹的走向。检验结果表明：在伸出管板1.5mm的管子上，沿着管子轴线方向有裂纹产生并向管内扩展，同时管板及管子上有大量的腐蚀凹坑（这是由氯离子引起的坑蚀）。

    　3.2化学成份分析

    　取E-001B换热器管束中发生泄漏的长约250mm的管子做为试样进行化学成份分析，结果见表2。分析结果表明，管子材料完全符合GB13296-2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》标准中对0Cr18Ni10Ti不锈钢化学成份的要求。

    

    　3.3常温拉伸性能试验

    　为了分析0Cr18Ni10Ti不锈钢换热管在服役期间是否发生了材质劣化导致管子泄漏，在非裂纹区管束中截取三段长度均为250mm的管子做拉伸性能测试，试验按GB228-1998标准进行，试验结果见表3。

                           

   　 拉伸试验结果表明，该管子的拉伸性能符合GB13296-200《7锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》对0Cr18Ni10Ti不锈钢钢管的拉伸性能要求。

    　3.4硬度测试

    　沿管子纵截面将管子切开并磨平以便进行硬度测试,结果见表4。硬度测试结果显示，除了中间部位硬度稍高外，其余部位的硬度基本符合相关标准要求。

                           

    　3.5金相检验

    　取未开裂管段的管子及管头处有裂纹（含裂尖）的管口试样做金相试验，对没有开裂的管子沿纵向切开进行金相观察，对含有裂纹的管子沿纵截面和横截面切开，取样后要对试样采用机械抛光、化学浸蚀处理。管子及焊缝的金相组织和裂纹形貌见图2。

    

   　 图2（a）为未开裂管段的金相组织，可见金相组织为均一的单相奥氏体，有孪晶，金相组织正常，图中的小黑点为析出的碳化物；图2（b）为焊缝金属的金相组织图；图2（c）为管口处金相图，这是典型的晶间腐蚀裂纹：裂纹呈沿晶扩展形态，裂纹深度大约有2-3个晶粒厚度，且沿晶开裂的裂纹处各个晶粒已彼此相对孤立。从上述图示的裂纹形态分析可知，该不锈钢管束在服役中，可能受到大量硫化物和氯化物的腐蚀，裂纹形态呈现出典型的应力腐蚀（连多硫酸应力腐蚀和氯化物应力腐蚀）开裂的特征。

    　3.6断口能谱分析

    　从管子与管板焊接处截取含有裂纹的试样，将裂纹打开，对断口腐蚀产物进行能谱分析。断口能谱分析结果见表5。可见，断口上存在大量的腐蚀产物基本为氧化物和硫化物，并含有一定数量的氯化物。可以断定，E-001B管头处发生失效的原因极有可能与硫化物和氯化物有关。



    　3.7断口扫描电镜分析

    　图3为E-001B换热器管子开裂处裂纹断面的扫描电镜形貌。从图中可以看到，断口上存在二次裂纹，断口呈解理形貌，具有河流状花样和泥状花样的特征，这是应力腐蚀常见的断口形貌。



    　4 发生连多硫酸应力腐蚀的原因分析

    　文献[1]中，李志强通过大量的工程实例研究了发生连多硫酸应力腐蚀的裂纹形貌特点为沿晶裂纹，结合该文献的研究成果，综合以上分析，可以得出该换热器管子失效的原因是连多硫酸应力腐蚀。

    　4.1具备连多硫酸的形成条件在停工时，如果不进行保护或保护不当，会有空气进入加氢反应器或E-001B中，在开车时进入反应器中的空气随着循环氢压缩机的开启，随气体循环流出反应器的硫化物，在低于露点积液，于是E-001B表面可能产生连多硫酸；另外，在每次出现泄漏，对E-001B泄漏部位堵管时，必须先把E-001B温度降至常温，并且该加氢车间并没有采取任何对换热管与空气隔绝的防护措施，这样便不可避免地使氧气与换热管直接接触，从面导致形成了连多硫酸。4.2对连多硫酸敏感的材料0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢对Cl-、H2S、SO2应力腐蚀非常敏感（这里不再冗述）。需要说明的是，通常情况下，如果不锈钢中含碳量小于0.03%，会有效防止晶间腐蚀，但对E-001B管束化学成份分析显示，其含碳量约为0.043%，所以这样的含碳量还不足以有效地防止晶间腐蚀[2]。

    　4.3应力条件

    　在管口处，由于焊接引起的焊接残余应力也是存在的，即使在设备制造过程中进行消除应力的热处理，焊接残余应力也不可能完全消除。特别地，在E-001B出现第一次泄漏后曾对管口进行大面积的补焊，而焊接完毕后没有进行任何消除焊接残余应力的热处理（现场也不可能具备这种热处理条件），所以肯定有焊接残余应力存在于管头处，其方向是任意性的，因此不能排除有沿管子环向的残余应力，这也是造成在管口处发生SCC的力学因素之一。在具备了以上三个条件后，该换热器管头处便发生了由连多硫酸引起的应力腐蚀。

   5 结论

   （1）E-001B检修期间，由于维护保养不当，造成大量空气进入E-001B换热管中，在“冷态”且有H2S+H2O存在条件下[2]，生成了连多硫酸。

   （2）管子在受到氯离子腐蚀（点蚀）的同时，也发生了连多硫酸的应力腐蚀，连多硫酸的应力腐蚀加速了管子开裂。

   （3）反应馏出物中的硫化氢和氯化物的协同作用，加速并加剧了管子开裂的进程。

   参考文献

   [1]李志强.连多硫酸溶液中奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂[J]．腐蚀工程科学防护技术，1995，7(1)：58-65．

   [2]崔思贤.石化工业连多硫酸引起的应力腐蚀开裂及其防护措施[J]．石油化工腐蚀与防护，1996.13(1)：1-5．
 

http://www.51spjx.com/tech-detail/t213709.html