不銹鋼換熱管開裂原因分析

馬小強

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司化學工業設備質量監督檢驗中心)

換熱器是冶金、化工、電力及機械等行業常用的熱交換設備，其工作環境惡劣，在腐蝕介質和高溫高濕的環境中，很容易產生裂紋、腐蝕等失效破壞，降低產品的使用壽命，帶來安全隱患[1]。某石化廠的柴油加氫精制裝置高壓換熱器于2004年投用，運行3年后換熱管內漏嚴重，于2007年整體更換管束，運行不久后仍發生內漏，至今已堵漏8根換熱管。該類失效直接影響換熱器的換熱效率且更換管束成本較高，因此，有必要對內漏換熱管的失效原因進行分析。筆者在換熱管的開裂部位和完好部位分別取樣，通過宏觀檢查、光譜分析、力學性能分析、金相分析、斷口掃描電鏡(SEM)形貌以及能譜(EDS)分析等手段，探討了換熱管的失效原因并提出了相應建議。

1 換熱器運行工況

換熱器主要技術參數見表1 ，換熱器管束材料為0Cr18Ni10Ti，規格為φ20mm×2.5mm。

表1 換熱器主要技術參數

2 試驗分析

2.1宏觀檢查

分析換熱管的開裂部位發現，裂紋位于換熱管的直管段，裂紋形貌如圖1所示，軸向裂紋長約150mm，主裂紋開口寬度約2.5mm，其兩端伴有臺階狀支裂紋。對該換熱管開裂部位進行徑向測量未發現明顯變形。在換熱管開裂區、微裂區和完好區域取樣，分別為1#、2#、3#樣品，并將1#、3#為金相分析樣品，1#樣的開裂區為SEM形貌及EDS分析樣品。將2#樣打斷(撕裂樣品)，作為1#樣開裂區的對比試樣，進行SEM形貌及EDS分析。

圖1 開裂換熱管宏觀形貌與取樣位置

2.2光譜分析

開裂換熱管及新換熱管的光譜分析結果見表2，可見開裂換熱管及新換熱管中的化學成分均符合GB 13296- 2007的要求。

表2 開裂換熱管及新換熱管的光譜分析結果

2.3力學性能分析

在開裂換熱管完好部位取樣進行拉伸試驗，結果見表3，可見換熱管強度符合標準要求。開裂換熱管和新換熱管的顯微硬度分析結果見表4，可見新換熱管不同區域的硬度較均勻，而換熱管使用后，近內壁區域的硬度較高，滿足GB 13296- 2007對顯微硬度要求。

表3 開裂換熱管力學性能分析結果

表4 換熱管的顯微硬度分析結果(HV)

2.4金相分析

圖2為換熱管開裂區和同管束未開裂換熱管金相組織照片。裂紋擴展形貌如圖2a所示，可見裂紋由外壁向內壁沿厚度方向穿晶擴展，裂紋開始比較平直，擴展到一定深度后，呈樹枝狀擴展，為氫致裂紋和Cl-應力腐蝕開裂特征；開裂換熱管金相組織為奧氏體+少量鐵素體，部分奧氏體呈孿晶，近外壁金相組織晶粒粗大，內壁晶粒細小。圖2b是同管束未開裂換熱管金相組織，組織均勻，晶粒細小。由圖2可以明顯看出開裂換熱管晶粒粗大，晶粒度為3.0級，而未開裂換熱管晶粒細小，晶粒度為6.0級。宏觀檢查換熱管完好區域的金相組織照片如圖3所示，由圖可見裂紋呈斷續而曲折的鋸齒狀，沒有分叉，為氫致開裂的典型特征。

圖2 換熱管開裂區和同管束未開裂換熱管金相組織

圖3 宏觀檢查換熱管完好區域金相組織(3#樣品) ×50

2.5斷口形貌與能譜分析

圖4為1#樣品開裂區和2#樣品撕裂區斷口形貌照片，可見開裂區斷口呈河流狀脆性斷裂特征，而撕裂區斷口沿晶分離，晶粒輪廓明顯，二次裂紋較少，呈局部韌窩和局部解理的混合型斷裂特征。開裂區和撕裂區斷口EDS分析結果見表5，開裂區S高于撕裂區，Cl-含量相近，介質中存在大量H2S、NH4Cl，H+和Cl-的共同作用加快了裂紋的擴展。對換熱管斷裂部位內外壁形貌分析如圖5所示。

圖4 開裂區和撕裂區斷口SEM形貌照片

表5 開裂區和撕裂區斷口EDS定量分析結果 wt%

圖5 換熱管內外壁SEM形貌照片

外壁存在晶間腐蝕，呈現應力腐蝕的特征，內壁形貌存在泥狀花樣，并有大范圍的脫落跡象。能譜分析結果見表6，外壁中O、Cl-含量較高，說明發生應力腐蝕呈沿晶斷裂，內壁腐蝕產物中S含量很高，說明硫化物對內壁造成了腐蝕，介質中存在H2S，具有氫致開裂的傾向。

表6 換熱管內外壁能譜分析結果 wt%

3 討論

0Cr18Ni10Ti是在304鋼中添加Ti元素來防止晶間腐蝕的，適合在430～900℃溫度下使用，應用在航空器、排氣管、鍋爐汽包及換熱器等方面，0Cr18Ni10Ti的抗晶間腐蝕能力要比1Cr18Ni9Ti好，因為它不僅含鈦，而且含碳量也低。目前，1Cr18Ni9Ti已逐漸被0Cr18Ni10Ti所取代。18- 8不銹鋼在200～250℃的高溫水中極易發生應力腐蝕開裂，且氧含量越高，出現開裂所需的Cl-含量越低[2，3]。

根據檢驗結果可以確定由于換熱管外壁晶粒粗大，內外壁存在壓力差，引起均勻的環向薄膜應力，同時，H+使奧氏體層錯能下降[4，5]，致使換熱管在柴油、水、H2S、NH4Cl混合介質中發生晶間腐蝕，破壞材料的連續性，降低材料的性能。外壁周圍介質中含有較高含量的O、H+以及Cl-，引起外壁產生氫致裂紋，伴隨的Cl-引起的應力腐蝕加速了該過程，最終發生破裂。

4 結束語

柴油加氫精制裝置的不銹鋼換熱管的開裂主要原因為：換熱管外壁晶粒粗大，軋制工藝不合理；換熱管外壁O、H+和Cl-含量較高，發生晶間腐蝕，產生氫致裂紋和應力腐蝕開裂?？刹扇〉南鄳獙Σ哂校翰讳P鋼換熱管制造過程中應嚴格控制軋制工藝，確保材料組織滿足要求，降低C含量，提高Cr、Ni、Ti含量；生產過程中，嚴格控制O、H+和Cl-含量，不要超過奧氏體不銹鋼長時間腐蝕所能承受的范圍。

[1] 劉性紅，武雪梅. 18- 8不銹鋼換熱器裂紋失效研究與分析[J].山東冶金， 2009，31(3)：46～48.

[2] 任凌波，任曉蕾. 壓力容器腐蝕與控制[M].北京：化學工業出版社，2003：255～256.

[3] 胡麗莉，喻杰.不銹鋼換熱管應力腐蝕實例及分析[J].中國化工裝備, 2007，9(4):35～37.

[4] 禇武揚，喬利杰，陳奇志，等. 斷裂與斷裂環境[M].北京：科學出版社，2000：123～124.

[5] 徐書根,王威強.奧氏體不銹鋼換熱管應力腐蝕開裂分析[J].化工機械,2012,39(5):639～642,666.