不銹鋼換熱管U形部位開裂分析

孫 濤 王齊紅 王海平 蘇婷婷

(1.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；2.石油天然氣蘭州工程質量監督站)

不銹鋼換熱管U形部位開裂分析

孫 濤*1王齊紅2王海平1蘇婷婷1

(1.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；2.石油天然氣蘭州工程質量監督站)

針對某石化廠換熱器運行較短時間后多根換熱管U形部位出現環向開裂的現象，在開裂換熱管開裂部位與遠離開裂部位分別取樣，通過宏觀檢查、光譜分析、顯微硬度分析、金相分析、斷口掃描電鏡形貌和能譜分析，得出該換熱管的開裂原因為：換熱管在含氫環境下，產生大量氫致馬氏體，導致產生氫致裂紋；裂紋在擴展的過程中，S、Cl-及非金屬夾雜物的存在對開裂起到了一定的促進作用，最終發生開裂。

換熱管 U形部位 氫致開裂 應力腐蝕開裂

某石化廠的柴油加氫精制裝置高壓換熱器于2014年9月投用，運行僅半年后，換熱器出現嚴重泄漏，檢修發現多根換熱管U形部位出現環向開裂，直接影響生產，更換管束具有較高的成本。筆者在開裂換熱管的開裂部位和遠離開裂部位分別取樣進行分析，探討了該換熱管的失效原因，同時為避免此類失效發生提出了建議。

1 柴油加氫精制裝置換熱器運行工況

表1 為柴油加氫精制裝置換熱器的主要技術參數，該換熱器管束的材料為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

現場觀察可知，多根換熱管U形部位發生環向開裂，換熱管U形部位存在一條開口寬度約為1.5mm的環向裂紋，斷口平齊，無明顯塑性變形。換熱管外壁呈灰黑色，無腐蝕坑，無腐蝕產物(圖1a)；內壁光滑，無腐蝕產物(圖1b)。在換熱管遠離開裂區和開裂區分別取金相分析樣品和SEM形貌及EDS分析樣品。將SEM形貌及EDS分析樣品打斷，對比分析打斷的新鮮斷口與開裂區的形貌和成分。

2.2光譜分析

開裂換熱管光譜分析結果和標準要求見表2，可以看出，Ti元素含量略低于GB 13296-2007的要求，其余元素含量均符合要求。

表2 開裂換熱管光譜分析及標準結果 wt%

2.3顯微硬度分析

采用美國Wilson顯微硬度計對金相樣品徑向截面的近外壁、1/2厚度以及近內壁區進行顯微硬度分析，結果見3，可見換熱管近內壁區的硬度明顯高于近外壁區和1/2厚度區。

表3 換熱管的顯微硬度分析結果(HV)

2.4金相分析

遠離開裂區的非金屬夾渣物形貌如圖2所示，根據GB/T 10561-2005，夾雜物級別分別為A類1.0級、B類1.0級、C類0級、D類2.5級、DS類0級。

圖2 非金屬夾雜物形貌 ×100

圖3為遠離開裂區的徑向截面組織照片，近外壁區與1/2厚度區組織相近，由灰色組織與黑色組織組成，且內壁組織較外壁細小，如圖3a所示。近外壁區與1/2厚度區中的灰色組織為奧氏體，黑色組織為馬氏體，即奧氏體晶粒內部產生大量馬氏體，馬氏體形貌不太明顯，如圖3b、c所示。由于近內壁區組織細小，因此采用掃描電鏡對組織進行SEM形貌分析。同時，為進行對比分析，近外壁區也進行了SEM形貌分析，如圖4所示，可見近內壁區組織以馬氏體為主，含有奧氏體+鐵素體，近外壁區組織以奧氏體為主，同時含有馬氏體+鐵素體。

圖3 遠離開裂區的徑向截面組織

圖4 遠離開裂區徑向截面組織SEM形貌

圖5為遠離開裂區的軸向截面組織照片，基于徑向截面的金相分析可知，軸向截面組織為奧氏體+馬氏體+鐵素體。馬氏體呈嚴重的帶狀分布(圖5a)。圖5b中馬氏體形貌特征明顯，為板條狀。

圖5 遠離開裂區軸向截面金相組織

圖6為近內壁區微裂紋形貌，由圖6a可知，徑向截面存在由內壁向外壁沿厚度方向穿晶和沿晶擴展的微裂紋。裂紋光滑平直，局部存在分叉現象，為典型的氫致開裂特征，并伴有應力腐蝕開裂特征。軸向截面的內壁亞表面層存在大量微裂紋，如圖6b所示。

圖6 遠離開裂區微裂紋形貌 ×400

2.5SEM形貌以及EDS分析

2.5.1SEM形貌分析

采用日本電子JSM-6510掃描電鏡分別對開裂區、過渡區及打斷區進行微觀分析，如圖7所示。圖7a、b為開裂區的斷裂形貌，斷口呈冰糖狀，為沿晶破壞，表面存在大量腐蝕產物；圖7c、d為開裂區與打斷區的過渡區(裂紋尖端)斷裂形貌，呈準解理斷裂特點；圖7e、f為打斷區的斷裂形貌，呈現韌窩花樣，存在爪狀的撕裂棱以及二次裂紋，為常見氫致開裂的特點[1]；由圖7g可知換熱管U形部位內壁存在多處開裂，并沿厚度方向擴展；圖7h為內壁裂紋深處形貌, 呈準解理斷裂特征, 且存在二次裂紋。根據上述斷口掃描電鏡分析結果，可以確定換熱管開裂是以氫致開裂為主的損傷機理。

圖7 斷口典型區域的SEM形貌照片

2.5.2EDS分析

表4給出了開裂區腐蝕產物和打斷區的能譜分析結果，分析可知，開裂區腐蝕產物中Cl、O和S含量很高，表明產物中含有大量的氧化物和硫化物；打斷斷口的O、 S和Cl含量較高，表明介質中大量的O、S、Cl已擴散到換熱管內部。

表4 開裂區腐蝕產物和打斷區的EDS分析結果 wt%

3 討論

根據以上檢驗結果分析可知，不銹鋼換熱管處于柴油、水、H2S、NH4Cl和過剩的氫混合介質環境下，這種濃縮氫環境，導致換熱管組織發生劣化，產生了大量呈帶狀分布的氫致馬氏體，進而降低了換熱管的綜合性能，并于氫致馬氏體處萌生微裂紋，裂紋在擴展的過程中，介質中的S、Cl-擴散到換熱管內部，引起的應力腐蝕對開裂起到了一定的促進作用；同時，材料中大量的非金屬夾雜物引起的氫致開裂，也對開裂起促進作用，最終發生開裂。

4 結束語

裂紋起源于內壁和其亞表面，斷口呈現沿晶開裂逐漸過渡到準解理斷裂特征。 換熱管開裂是以氫致開裂為主的損傷機理，即換熱管在含氫環境下，產生大量氫致馬氏體，導致產生氫致裂紋；裂紋在擴展的過程中，S、Cl-及非金屬夾雜物對開裂起到了一定的促進作用，最終發生開裂。建議選用穩定性較高的奧氏體不銹鋼，如316L，換熱管在冷彎處理后，U形部位要進行充分的固溶熱處理。

[1] 張棟，鐘培道，陶春虎，等. 失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004:189～206.

[2] 趙志農. 腐蝕失效分析案例[M].北京：化學工業出版社，2009：140～152.

[3] 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.

[4] 胡麗莉，于杰. 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.

*孫 濤，男，1981年3月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ051.5

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0254-6094(2016)03-0416-05

2016-03-11，

2016-03-17)