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�蝕產(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.kjdzwh.cn/tech-detail/t213709.html