制氫裝置中變氣換熱器管板開裂原因分析及對策

連善濤, 仵拴強(qiáng), 冉高舉, 趙新建, 劉云秀, 蔣修民

(中化泉州石化有限公司, 福建 泉州 362100)

某煉油廠制氫裝置的中變氣-除鹽水換熱器開工使用3個月后,在殼程介質(zhì)(除鹽水)中發(fā)現(xiàn)H2和CO2含量超標(biāo)，由此判斷管束泄漏，管程介質(zhì)(中變氣)泄漏進(jìn)入殼程。拆卸管箱試壓檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)管板上有多處裂紋。為了查找管板產(chǎn)生裂紋的具體原因，對其進(jìn)行了失效分析。

1 換熱器基本情況

1.1 換熱器主要技術(shù)參數(shù)

換熱器采取兩管程、雙殼程的U型管換熱器結(jié)構(gòu)，換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊加貼脹，殼程筒體材質(zhì)為Q345R，管箱和封頭為304L，換熱管材質(zhì)為304L，規(guī)格為φ19 mm×2 mm;管板材質(zhì)為16MnⅣ+堆焊(E309L+E347),管板厚度為230 mm。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 中變氣-除鹽水換熱器主要技術(shù)參數(shù)

1.2 管板裂紋情況

管板與管頭泄漏部位主要集中在管程的出口及管板的下側(cè)左區(qū)，如圖1所示。在管板上方殼程側(cè)邊緣有幾處腐蝕凹槽。

圖1 裂紋發(fā)生部位

管殼程介質(zhì)的分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 介質(zhì)分析結(jié)果

2 管束失效分析

2.1 宏觀分析

2.1.1 裂紋檢查

裂紋基本局限在下管程的195 mm×80 mm區(qū)域內(nèi)，在管橋、管頭及管子上均發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.1.2 剖面檢查

將樣品剖開分為3塊，選取有裂紋的一塊樣品沿平行管板表面再剖開分為兩部分。剖開后發(fā)現(xiàn)換熱管除了一根留在管板內(nèi)，其余均從管板管孔中脫落，說明管板孔與管子之間未能有效貼脹,管子與管板孔之間存在明顯間隙。管子外壁的管板孔存在嚴(yán)重腐蝕，孔橋腐蝕穿透相通，管板孔直徑明顯擴(kuò)大(管子與管板孔的間隙有的已達(dá)2.5 mm)，這些管板孔正好與發(fā)生開裂的管橋、管頭部位相對應(yīng)。

2.2 金相分析

2.2.1 裂紋金相分析

選取典型裂紋樣品JX1和JX2進(jìn)行金相分析，JX1試樣上有2條裂紋(1-1和1-2)。裂紋1-1為貫穿性裂紋，一端在管頭角焊縫表面上，另一端在管子上;裂紋1-2由管板與管子相連的角焊縫根部開裂向角焊縫擴(kuò)展。

JX2存在二處裂紋(裂紋2和裂紋3)，裂紋2和裂紋3均由管板的管橋處開裂，沿著管板垂直方向擴(kuò)展，裂紋3由管板與管子相連的角焊縫根部開裂向角焊縫處擴(kuò)展，見圖2。共計(jì)4條裂紋均以穿晶開裂為主，局部有沿晶開裂特征。

圖2 裂紋局部放大照片

2.2.2 金相組織和管板基材腐蝕分析

對管板、管子及管板與管子相連的角焊縫進(jìn)行金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，各檢測部位的金相組織正常，管板基材的晶粒較粗大，見圖3。

圖3 金相組織

宏觀檢查發(fā)現(xiàn):管板基材部位與管子的外壁存在較大間隙(約2.5 mm)，間隙均是因?yàn)?6MnⅣ材質(zhì)管板被腐蝕造成的，腐蝕部位邊緣呈凹凸不平狀，奧氏體不銹鋼材質(zhì)的堆焊層和管子均未被腐蝕。

2.3 硬度測試

選取JX2試樣進(jìn)行硬度測試，測試部位的硬度基本正常。

2.4 斷口分析

選取一處裂紋部位，將其打開,觀察斷口的宏觀和微觀形貌。

2.4.1 斷口宏觀形貌

裂紋斷裂面呈褐色或咖啡色，管板基材的腐蝕面也呈咖啡色，人工打開面為灰色或白色。開裂部位有兩處，位于兩個管頭角焊縫表面上，裂紋深入到管板堆焊與基材過渡區(qū)，約8.0 mm，管板的基材腐蝕嚴(yán)重。

2.4.2 斷口微觀形貌

對該斷口進(jìn)行清洗，在掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌。斷口開裂部位及附近基本為準(zhǔn)解理斷口特征，擴(kuò)展區(qū)為典型的疲勞特征，見圖4。

圖4 斷口微觀形貌

2.5 X射線能譜分析

2.5.1 斷口試樣

對典型斷口表面(見圖5)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3。由表3可知：斷口表面結(jié)垢物和裂紋縫隙中主要有C,O,K,Na,Al,Ca和S等元素。金相試樣管板基材腐蝕部位主要有C和O兩種元素。

圖5 能譜分析選取的斷口試樣

表3 斷口能譜主要元素分析結(jié)果 w，%

2.5.2 金相試樣

對試樣JX2試樣的裂紋縫隙內(nèi)和管板基材腐蝕部位進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表4。由表4可知，裂紋縫隙內(nèi)主要有C，O，K，Ca和S等元素。管板基材腐蝕部位主要有C和O元素。

表4 金相試樣主要元素能譜分析結(jié)果 w,%

2.6 化學(xué)成分分析

對管板基材、換熱管和管板堆焊層取樣，分別進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表5。分析結(jié)果表明,管板基材和換熱管的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，堆焊層材質(zhì)為奧氏體不銹鋼。

表5 化學(xué)成分分析結(jié)果 w,%

3 綜合分析

3.1 主要分析結(jié)果

管板裂紋基本局限在195 mm×80 mm區(qū)域內(nèi)，在管橋、管頭及管子上均有裂紋存在。裂紋區(qū)域內(nèi)的管板基材腐蝕嚴(yán)重，特別在堆焊層與基材過渡區(qū)附近，基材部分區(qū)域已被腐蝕掉了，有的區(qū)域呈疏松狀，僅剩下8 mm厚的堆焊層和角焊縫蓋面層。在裂紋區(qū)域以外的管板基材未見有明顯的腐蝕跡象，但管板孔與管子外壁局部仍存在間隙，說明管子與管板孔貼脹效果不佳。

金相裂紋以穿晶開裂為主，局部為沿晶特征。金相組織基本正常，管板基材的晶粒較粗大。管板基材和換熱管的化學(xué)成分均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。管板堆焊層、管板基材、管頭角焊縫、管子母材的硬度基本正常。斷口分析結(jié)果表明，開裂部位及周圍區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)解理特征，擴(kuò)展區(qū)為典型的疲勞特征。能譜分析結(jié)果表明，斷口表面結(jié)垢物和裂紋縫隙中含有Na等元素。

從宏觀檢查結(jié)果可見，中變氣換熱器管板存在兩種典型損傷現(xiàn)象，一種為管板開裂，另一種為管板孔內(nèi)基材腐蝕。檢查裂紋分布情況，管板開裂包括管板與管子連接角焊縫徑向裂紋、環(huán)向裂紋和管橋裂紋，開裂局限在一個較小的范圍內(nèi)，而且有一定的擴(kuò)散性特征，其他部位未出現(xiàn)開裂情況。管孔內(nèi)基材表面腐蝕產(chǎn)物主要含有C和O元素，由此可知管板基材腐蝕形成的凹槽是由于管板開裂后，高壓側(cè)管程的中變氣進(jìn)入裂紋縫隙，其中CO2氣體溶于水形成碳酸，聚集在管板水側(cè)出口部位，對管板基材造成腐蝕，屬于管板開裂后造成的后果。

CO2與水結(jié)合生成碳酸,對碳鋼有強(qiáng)烈的腐蝕作用[1]，反應(yīng)式如下：

(1)

因此，分析管板首次發(fā)生開裂的原因是關(guān)鍵。

3.2 首次發(fā)生裂紋的性質(zhì)及部位分析

管板開裂存在兩種可能性，一種是從管程側(cè)管板表面開裂，沿著管板厚度擴(kuò)展，另一種是管板與管子連接角焊縫根部開裂，向管板側(cè)管板表面擴(kuò)展。

管程側(cè)管板表面有奧氏體不銹鋼堆焊層，可以耐正常操作時(shí)的管程介質(zhì)中變氣中CO2腐蝕[1]69，且管程側(cè)管板表面也未見腐蝕痕跡，因此從管程側(cè)管板表面不銹鋼堆焊層開裂的可能性較小。從管板與管子連接角焊縫根部萌生裂紋，并向管程側(cè)擴(kuò)展穿透不銹鋼堆焊層。

管子連接角焊縫根部萌生裂紋存在兩種可能的機(jī)理。一是由于振動導(dǎo)致個別管頭焊縫疲勞開裂;二是殼程除鹽水滲入后發(fā)生堿濃縮，造成管板與管子連接角焊縫根部(奧氏體不銹鋼)萌生堿應(yīng)力腐蝕裂紋。存在介質(zhì)濃縮條件時(shí)，堿質(zhì)量濃度達(dá)到50～100 mg/L就足以引發(fā)開裂[2]。兩種可能性都與換熱管貼脹效果不佳(即欠脹)有關(guān)，因?yàn)榍访洸坏珪构茴^焊縫受力狀態(tài)惡化，增加疲勞損傷發(fā)生的可能性，還會因管子與管板孔間存在縫隙而導(dǎo)致殼程除鹽水進(jìn)入，從而形成局部堿應(yīng)力腐蝕環(huán)境。低合金鋼和碳鋼在苛性堿溶液中的應(yīng)力腐蝕多數(shù)是陽極溶解型機(jī)理，在應(yīng)力集中部位加速陽極溶解[3]。

隨著管孔縫隙堿度升高，熱濃堿對管板發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕[4]，其反應(yīng)式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

由于管板基材腐蝕程度與其接觸腐蝕介質(zhì)的時(shí)間長短有關(guān)，接觸時(shí)間越長腐蝕越嚴(yán)重(即管孔直徑越大)。靠近隔板槽的部位腐蝕越嚴(yán)重，由此推斷最早發(fā)生開裂的位置應(yīng)在開裂區(qū)域的上部靠近隔離槽的管子，而且存在應(yīng)力腐蝕開裂或疲勞腐蝕的可能。

3.3 產(chǎn)生次生裂紋分析

一旦發(fā)生裂紋穿透，由于管程介質(zhì)壓力高于殼程介質(zhì)壓力，中變氣進(jìn)入裂紋縫隙，其中CO2溶于水形成碳酸,對基材造成腐蝕。管板剖面檢查及5處裂紋斷口分析結(jié)果表明，腐蝕使得管孔尺寸變大，孔橋變小，有些部位靠近堆焊層的基材被完全腐蝕掉，導(dǎo)致管孔連通，腐蝕嚴(yán)重部位堆焊層承受的載荷明顯增加，在交變載荷作用下由角焊縫管程側(cè)表面萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展穿透堆焊層，同時(shí)也穿透換熱管。

4 結(jié)論與建議

通過對中變氣換熱器的管板進(jìn)行理化分析，判斷管板失效是因管束在制造過程中，換熱管與管板的貼脹效果不佳，從而導(dǎo)致管頭與管板連接焊縫開裂。開裂機(jī)理存在兩種可能性，一是管束振動導(dǎo)致管頭焊縫疲勞開裂，而貼脹效果不佳也使得管頭焊縫受力狀態(tài)惡化，增加疲勞損傷發(fā)生的可能性；二是管子與管板孔間存在縫隙形成閉塞區(qū)，導(dǎo)致殼程鍋爐水進(jìn)入，管程逆流換熱的中變氣溫度高，縫隙內(nèi)除鹽水反復(fù)蒸發(fā)和沉積，堿不斷被濃縮，導(dǎo)致pH值升高，而換熱管與管板焊接及貼脹部位存在管口焊接殘余應(yīng)力、溫差應(yīng)力、脹接應(yīng)力以及內(nèi)應(yīng)力，在其協(xié)同作用下，管板與管子連接角焊縫根部萌生堿應(yīng)力腐蝕開裂。另外，裝置開工初期殼程除鹽水質(zhì)量控制不穩(wěn)定，易造成鈉離子濃度升高，為縫隙腐蝕創(chuàng)造條件；管程中變氣對管板的沖刷、沖擊，也會加劇管板裂紋的擴(kuò)張。

對于管束管板發(fā)生裂紋，建議采取以下幾條對策：

(1)中變氣換熱器的設(shè)計(jì)選材能滿足運(yùn)行要求，但是管束制造過程中要控制管板與管子的貼脹質(zhì)量，確保消除間隙。提高管板管孔的加工精度和換熱管的制造精度，貼脹過程中有效降低換熱管與管板的縫隙，降低殼程除鹽水側(cè)的堿濃縮等。可考慮換熱管外徑偏差采用GB/T 151—2014《熱交換器》要求的高精度，根據(jù)換熱管尺寸偏差選擇相應(yīng)的管板管孔尺寸。

(2)管板強(qiáng)度焊后進(jìn)行焊后熱處理，降低焊接殘余應(yīng)力，使焊縫及熱影響區(qū)的應(yīng)力保持在較低的水平，以降低應(yīng)力腐蝕開裂的可能性，隨后再進(jìn)行脹管。

(3)對于貼脹質(zhì)量檢驗(yàn),必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，以確保貼脹質(zhì)量。

(4)U型管末端增加限位措施，從而減輕振動影響，增強(qiáng)管板角焊縫的抗振能力。

(5)在管束的介質(zhì)入口部位增加防沖板，減少中變氣對管板的沖刷和疲勞損傷。

(6)管束殼程分程隔板設(shè)置透氣孔，減少除鹽水中的氣相對管束分程板的沖擊。

(7)裝置開工過程中，控制除鹽水堿含量，防止堿應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。