PTA裝置干燥機換熱管的失效原因

姜 勇,嚴明盛,陳佳棟,郜 杰,鞏建鳴

(1. 南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211816； 2. 中國石化揚子石油化工有限公司，南京 210048)

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PTA裝置干燥機換熱管的失效原因

姜 勇1,嚴明盛2,陳佳棟1,郜 杰1,鞏建鳴1

(1. 南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211816； 2. 中國石化揚子石油化工有限公司，南京 210048)

某精對苯二甲酸(PTA)裝置干燥機換熱管在投產2 a后即發生大面積斷裂。采用掃描電鏡(SEM)，能譜儀(EDS)以及微觀組織分析的方法對PTA干燥機用316L不銹鋼列管斷裂的原因進行了分析。結果表明，該列管首先由于管束震動發生疲勞開裂，在堿以及Cl-的腐蝕促進作用下迅速擴展，最終發生斷裂。

PTA；干燥機；換熱管；疲勞；堿

1　概況

某石化單位精對苯二甲酸(PTA)裝置干燥機經使用約2 a后，內部蒸汽列管大量斷裂。該干燥機的作用是對含濕量約為10%～15%的PTA濾餅進行干燥。濾餅通過進料螺旋輸送機送入干燥機筒體干燥，并在重力作用下運行至筒體較低一端。出料端的粉末狀產品含濕量小于0.5%。PTA濾餅進入干燥機時溫度約為90 ℃，物料出口溫度約為120 ℃。干燥機內列管為φ32 mm×3 mm 316L不銹鋼管，管內介質為1 MPa蒸汽。

2　理化檢驗

2.1宏觀觀察

由圖1可見，斷口平整，斷裂部位未見明顯塑性變形。仔細觀察后發現，在圖1上方有一簇始于管外壁一點向內壁方向發散的放射狀條紋，為啟裂區；圖1下方一小區域有較為顯著的塑性變形，變形方向與主斷裂面具有一定角度，且該區域較為新鮮，為終斷區。

2.2化學成分分析

換熱管化學成分分析結果見表1。結果表明，材料成分符合標準。

2.3斷口SEM及EDS分析

斷口啟裂區，擴展區形貌如圖2所示。斷裂為疲勞開裂，啟裂源為近外壁的夾雜物，見圖2(a)。夾雜物中主要含有鋁、硅、鈣以及氧等元素，見表2。在316L冶煉過程中會采用硅鐵和少量鋁脫氧，從而產生Al2O3-CaO-SiO2型的夾雜物，該夾雜物在比較粘稠的鋼液中如果上浮不充分就會存留在鋼中[1-2]。另外啟裂區還檢出較多的鈉、氯元素。與委托方溝通后得知該干燥機進行過數次堿洗，鈉、氯應該是堿洗時的帶入物。

表1　失效管材質分析結果(質量分數)

在距離起裂源不遠的擴展區位置觀察到疲勞輝紋，見圖2(b)。快速擴展區主要表現為解理斷裂形貌特征，見圖2(c)。終斷區見圖2(d)，主要表現為“韌窩”特征。

2.4金相分析

對垂直于斷口方向組織進行組織觀察，如圖3所示。該列管組織為奧氏體，從圖3(a)可以看出，斷口附近外壁比較光滑，未見明顯的腐蝕特征及裂紋。從斷口表面二次裂紋的指向可以看出，主裂紋從外壁向內壁擴展。從圖中還可以看出，組織中含有較多沿軸線方向的條帶狀分布的夾雜物(EDS分析結果確定為Al2O3-CaO-SiO2型夾雜物)。夾雜物經軋制或者拉拔變形，沿變形方向呈現條帶狀分布，繼而成為裂紋源，在壓力和腐蝕作用下引發開裂[3-4]，即使加工后對不銹鋼管進行固溶處理，也不能消除夾雜物[5]。列管組織中夾雜物數量偏多，在距離外壁約2/3壁厚處觀察到沿夾雜物的開裂,見圖3(b)。在管內壁觀察到有沿軸向的淺表裂紋，裂紋具有應力腐蝕開裂的特征,見圖3(c)。

3　試驗結果分析

宏觀分析表明，試驗管開裂啟于外壁，啟裂點有一條狀夾雜物，為Al2O3-CaO-SiO2型的夾雜。裂紋擴展區有疲勞條紋特征和解理特征，在斷口腐蝕產物中有較多的鈉和氯元素。斷裂由腐蝕疲勞所致，疲勞源為近外壁的夾雜物。正常工藝條件下，干燥機內列管固定不動，不存在疲勞載荷的作用，同時，工藝介質中也沒有含鈉和氯元素的介質，因此有必要查明疲勞載荷及鈉和氯的來源。

3.1疲勞載荷的來源

干燥機在服役時列管中會產生蒸汽冷凝水，冷凝水在高溫蒸氣推動下會向前流動，撞擊管道內壁，嚴重時還會有部分冷凝水反射回流與下一團液態水對沖繼續撞擊管壁，從而產生管道震動[6]。通過與用戶溝通后了解到，該干燥機噪音一直偏大。可以確定疲勞載荷來自列管的振動。

表2　啟裂源中夾雜物的EDS分析結果(質量分數)

3.2堿和氯的來源

為保證PTA裝置加氫反應器中催化劑活性，需對裝置定期進行在線堿洗。可以確定，堿來自于堿洗工藝。堿洗時堿液中也會含有少量的Cl-，如果清洗不徹底，就會殘留在管線中，并在缺陷位置局部濃縮。NaOH以及Cl-都是導致不銹鋼發生腐蝕或者應力腐蝕開裂的因素[7-8]。研究表明[9-13]，即使是堿洗過程中使用極稀的NaOH溶液，在高溫以及局部濃縮后，也會對不銹鋼設備造成嚴重危害。對于18-8型不銹鋼,僅可使用90 ℃以下的極稀堿液，當堿液質量分數超過0.1%時，奧氏體不銹鋼就可能發生應力腐蝕開裂，溫度越高應力越高則抗應力腐蝕開裂性能就越差。

不銹鋼在堿環境中發生腐蝕的反應式為:

(1)

(2)

(3)

不銹鋼在Cl-環境中發生腐蝕的反應式為:

(4)

(5)

4　結論與建議

綜合以上分析，可以確定，316L不銹鋼列管開裂處首先出現啟于外壁夾雜物處的疲勞裂紋，開裂后堿和氯離子在裂紋中濃縮，造成腐蝕，加速裂紋擴展，同時在擴展區留下解理特征，最終導致發生腐蝕疲勞開裂，當有效承載面積不足時發生快速斷裂。不銹鋼列管微觀組織中含有的夾雜物，在開裂過程中也起到了促進作用。

為防止類似事故再次發生，建議：

(1) 通過調整支撐板間距的方法改變管子的固有振動頻率，降低疲勞載荷；

(2) 在工藝允許的條件下適當降低進口蒸汽的壓力、流速和進氣管管徑，以減小水擊波的傳播速度，從而減少水擊發生的概率和水擊強度；

(3) 堿洗時要嚴格控制堿液濃度和氯離子含量，堿洗后要徹底清洗。消除堿液和氯離子對開裂的促進作用。

(4) 提高列管材料的純凈度，嚴格控制夾雜物含量，也是降低腐蝕疲勞開裂的有效措施。

[1]雷銳戈. 316L不銹鋼夾雜物水平的改善[J]. 世界鋼鐵,2010(3):199-202.

[2]田矯健,潘吉祥. 316L不銹鋼板坯金相組織和夾雜物分析[J]. 鑄造,2013,62(3):199-202.

[3]陸昕,馬春霞,哈勝男,等. 奧氏體不銹鋼管坯分層開裂分析[J]. 熱處理,2008,23(3):62-64.

[4]侯東坡,宋仁伯,項建英,等. 固溶處理對316L不銹鋼組織和性能的影響[J]. 材料熱處理學報,2010,31(12):61-65.

[5]李道明. 不銹鋼中非金屬夾雜物的危害及去除[J]. 山西冶金,2008(4):24-26.

[6]吳翔. 管殼式換熱器管束振動機理及改進措施[J]. 石油和化工設備,2012,15(10):62-64.

[7]余存燁.PTA裝置堿洗對設備腐蝕開裂影響討論[J]. 腐蝕與防護,2007,28(12):54-58.

[8]蔣維宏,程文軍.PTA精制干燥機加熱管破裂失效分析[J]. 化工機械,2012,39(5):650-652.

[9]徐婉,張禮敬,孟亦飛,等.PTA裝置加氫反應器在堿環境中的應力腐蝕分析及防護[J]. 化工機械,2006(4):248-251.

[10]余存燁. 石化設備堿洗與應力腐蝕破裂[J]. 清洗世界,2008(3):13-18.

[11]姜勇,鞏建鳴,周榮榮. 濃度和溫度對316L不銹鋼在NaOH溶液中應力腐蝕開裂行為的影響[J]. 腐蝕與防護,2008,29(12):749-751.

[12]姜勇,鞏建鳴,周榮榮. 高溫堿液濃度與溫度及應變速率對316L不銹鋼應力腐蝕開裂的影響[J]. 機械工程材料,2009,33(5):26-32.

[13]姜勇,鞏建鳴,湯鵬杰. 乙烯裂解爐對流段盤管焊接接頭開裂原因[J]. 腐蝕與防護,2014,35(7):750-753.

Failure Reason of Heat Exchange Tube in a PTA Drying Machine

JIANG Yong1, YAN Ming-sheng2, CHEN Jia-dong1, GAO Jie1, GONG Jian-ming1

(1. College of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China;2. Sinopec Yangzi Petrochemical Co., Ltd., Nanjing 210048, China)

A large area of the fracture of heat exchange tubes occured in a purified terephthalic acid (PTA) drying machine after sevicing for two years. Sanning electron microscopy, energy disperse spectroscopy (EDS) and metallography analysis were employed to investigate the failure reason of 316L stainless steel used in PTA drying machine. The results showed that fatigue cracking happened firstly due to the vibration of tubes and the tube fractured quickly with the acceleration of NaOH and Cl-.

PTA； drying machine； heat exchange tube； fatigue； alkali

10.11973/fsyfh-201601019

2015-01-07

姜 勇(1974-)，副教授，碩士,從事石化設備高溫損傷、強度分析，壽命評價及設備失效分析，18951822129,jiangyong@njtech.edu.cn

TG172

B

1005-748X(2016)01-0080-03