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(shè)公司北京100011)
【摘要】對U形管換熱器泄漏的管子進(jìn)行了化學(xué)成份分析、力學(xué)性能測試,并借助于光學(xué)和掃描電鏡對管子開裂處進(jìn)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(yīng)力腐蝕(SCC)。
【關(guān)鍵詞】U形管換熱器 奧氏體不銹鋼 連多硫酸 應(yīng)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(jīng)常發(fā)生泄漏,最短的7天內(nèi)發(fā)生了兩次,嚴(yán)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(jìn)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(shù)
表1 E-001B反應(yīng)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(jù)對工藝介質(zhì)的檢測結(jié)果,低份油中H2S濃度約為300ppm-500ppm,液態(tài)水在正常生產(chǎn)情況下為60ppm-70 ppm(液態(tài)水的含量有時會因誤操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ppm級別);反應(yīng)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(yīng)餾出物中還含有HCl、NH4Cl、N2等雜質(zhì),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(fā)生泄漏的部位,為下一步分析研究提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),在E-001B管板上未進(jìn)行補焊的部位進(jìn)行著色檢查,以確定管子與管板焊接處有無裂紋發(fā)生以及裂紋的走向。檢驗結(jié)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(chǎn)生并向管內(nèi)擴(kuò)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(xué)成份分析
取E-001B換熱器管束中發(fā)生泄漏的長約250mm的管子做為試樣進(jìn)行化學(xué)成份分析,結(jié)果見表2。分析結(jié)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(biāo)準(zhǔn)中對0Cr18Ni10Ti不銹鋼化學(xué)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(fā)生了材質(zhì)劣化導(dǎo)致管子泄漏,在非裂紋區(qū)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,試驗結(jié)果見表3。
拉伸試驗結(jié)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(jìn)行硬度測試,結(jié)果見表4。硬度測試結(jié)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)械拋光、化學(xué)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(kuò)展形態(tài),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(tài)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(tài)呈現(xiàn)出典型的應(yīng)力腐蝕(連多硫酸應(yīng)力腐蝕和氯化物應(yīng)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(chǎn)物進(jìn)行能譜分析。斷口能譜分析結(jié)果見表5?梢姡瑪嗫谏洗嬖诖罅康母g產(chǎn)物基本為氧化物和硫化物,并含有一定數(shù)量的氯化物?梢詳喽,E-001B管頭處發(fā)生失效的原因極有可能與硫化物和氯化物有關(guān)。
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(yīng)力腐蝕常見的斷口形貌。
4 發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕的原因分析
文獻(xiàn)[1]中,李志強(qiáng)通過大量的工程實例研究了發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕的裂紋形貌特點為沿晶裂紋,結(jié)合該文獻(xiàn)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(yīng)力腐蝕。
4.1具備連多硫酸的形成條件在停工時,如果不進(jìn)行保護(hù)或保護(hù)不當(dāng),會有空氣進(jìn)入加氫反應(yīng)器或E-001B中,在開車時進(jìn)入反應(yīng)器中的空氣隨著循環(huán)氫壓縮機(jī)的開啟,隨氣體循環(huán)流出反應(yīng)器的硫化物,在低于露點積液,于是E-001B表面可能產(chǎn)生連多硫酸;另外,在每次出現(xiàn)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(hù)措施,這樣便不可避免地使氧氣與換熱管直接接觸,從面導(dǎo)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(yīng)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(xué)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(yīng)力條件
在管口處,由于焊接引起的焊接殘余應(yīng)力也是存在的,即使在設(shè)備制造過程中進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理,焊接殘余應(yīng)力也不可能完全消除。特別地,在E-001B出現(xiàn)第一次泄漏后曾對管口進(jìn)行大面積的補焊,而焊接完畢后沒有進(jìn)行任何消除焊接殘余應(yīng)力的熱處理(現(xiàn)場也不可能具備這種熱處理條件),所以肯定有焊接殘余應(yīng)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(huán)向的殘余應(yīng)力,這也是造成在管口處發(fā)生SCC的力學(xué)因素之一。在具備了以上三個條件后,該換熱器管頭處便發(fā)生了由連多硫酸引起的應(yīng)力腐蝕。
5 結(jié)論
(1)E-001B檢修期間,由于維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng),造成大量空氣進(jìn)入E-001B換熱管中,在“冷態(tài)”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(fā)生了連多硫酸的應(yīng)力腐蝕,連多硫酸的應(yīng)力腐蝕加速了管子開裂。
(3)反應(yīng)餾出物中的硫化氫和氯化物的協(xié)同作用,加速并加劇了管子開裂的進(jìn)程。
參考文獻(xiàn)
[1]李志強(qiáng).連多硫酸溶液中奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂[J].腐蝕工程科學(xué)防護(hù)技術(shù),1995,7(1):58-65.
[2]崔思賢.石化工業(yè)連多硫酸引起的應(yīng)力腐蝕開裂及其防護(hù)措施[J].石油化工腐蝕與防護(hù),1996.13(1):1-5.
http://www.help-services.cn/tech-detail/t213709.html
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