重整裝置空冷器管束腐蝕穿孔失效分析

羅輝廣 李 建

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

在原油加工過(guò)程中，煉廠設(shè)備裝置存在各種嚴(yán)重腐蝕問(wèn)題，直接影響煉廠的安全生產(chǎn)和設(shè)備長(zhǎng)周期的可靠性運(yùn)行。在石油石化企業(yè)中，設(shè)備裝置腐蝕發(fā)生泄漏而直接或間接導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失巨大[1-3]。某廠重整裝置空冷器從開(kāi)工至今一直存在嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，為了查明情況，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后對(duì)管束進(jìn)行了取樣和測(cè)試，分析了管束腐蝕泄露的原因。

1 案例背景

空冷換熱器2019 年11 月投用，共有4 臺(tái)換熱器，編號(hào)分別為A、B、C、D；截至2020 年6 月編號(hào)為C、D 的換熱器均發(fā)生多處換熱管和換熱管與管箱連接位置的穿孔泄漏。于2020 年7 月對(duì)C、D 空冷換熱器換新，換新設(shè)備與舊設(shè)備的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)相同，見(jiàn)表1 和表2。換新設(shè)備在使用幾個(gè)月后再次發(fā)生穿孔泄漏。穿孔位于出口位置且在管束最下排，為從南向北數(shù)第9 根管。穿孔部位位于管束下方，距離管箱約1.5m，現(xiàn)取樣后分析其穿孔原因。

表1 空冷換熱器基本情況

表2 運(yùn)行工藝參數(shù)

2 理化檢驗(yàn)分析

2.1 泄露管束的宏觀、低倍形貌分析

將失效換熱管的翅片剝除，分別采用手鋸（不會(huì)污染產(chǎn)物）與線切割沿軸向?qū)Q熱管上下側(cè)剖開(kāi)，如圖1 所示，從下側(cè)內(nèi)表面可以觀察到一大一小2 處泄漏孔洞，標(biāo)記為孔1 和孔2?？? 為直徑約5mm 的穿透型圓孔，附近外表面有腐蝕產(chǎn)物?？? 距離孔1 約13mm，孔2 直徑約1mm。從圖1 中可見(jiàn)內(nèi)表面均勻分布黃色和黑色的腐蝕產(chǎn)物?？? 為楔形孔洞，內(nèi)壁側(cè)孔徑略大于外壁側(cè)，表明該孔1 從內(nèi)壁腐蝕而成。在孔2 對(duì)應(yīng)位置，內(nèi)壁存在大面積的馬蹄形蝕坑，蝕孔深度不均勻，最深處已穿透管壁。馬蹄形蝕坑滿足沖刷腐蝕特征，且介質(zhì)流向如圖1 所示（馬逆流行走時(shí)留下的蹄印），從蝕孔宏觀形貌上來(lái)看，滿足沖刷腐蝕特征。

圖1 穿孔管束內(nèi)表面宏觀狀態(tài)

2.2 管束金相分析

在管段上按照?qǐng)D2 所示切取橫向、縱向金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光和腐刻后，在顯微鏡下觀察其金相組織。分析表明材料主要由珠光體（黑色）和鐵素體（白色）構(gòu)成，兩相分布均勻，無(wú)明顯夾雜和偏析等缺陷；晶粒細(xì)小，呈等軸狀。從蝕孔的端面形貌可以看到，如圖3 所示，孔1、孔2 內(nèi)表面較為平滑，為流線型，符合沖刷腐蝕特征。

圖2 金相取樣位置圖

圖3 孔1、孔2 橫端面金相圖

空冷管軸向金相組織形貌為條帶狀排列分布，方向明顯為沿?fù)Q熱管軸向，如圖4 所示，這主要在管子的拉拔過(guò)程中形成。

圖4 管束縱端面金相圖

2.3 掃描電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡對(duì)金相樣品進(jìn)行微觀分析，如圖5 所示。蝕坑內(nèi)的微觀腐蝕形貌多為橢圓形狀，具有明顯沖刷腐蝕特征；蝕坑表面較為光滑，說(shuō)明介質(zhì)中不含有固相粒子，沖刷腐蝕僅由液體或氣相引起。表面可見(jiàn)零星的腐蝕小孔，表明除了沖刷腐蝕外同時(shí)還有孔蝕發(fā)生，管子上側(cè)的麻點(diǎn)狀腐蝕痕跡可以證明這點(diǎn)。

圖5 換熱管蝕坑掃描電鏡形貌

對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行EDS 能譜分析，如圖6 和表3 所示，分析出產(chǎn)物的主要成分為Fe 的氧化物，同時(shí)檢測(cè)到產(chǎn)物中還含有少量的S 和Cl 腐蝕性介質(zhì)。

圖6 腐蝕產(chǎn)物掃描電鏡形貌及能譜分析圖

表3 能譜檢測(cè)結(jié)果

2.4 材質(zhì)分析

采用X 射線熒光光譜法（GB/T 16597—1996）對(duì)空冷換熱器管樣品進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。檢測(cè)結(jié)果表明，換熱管材均符合供貨引用標(biāo)準(zhǔn)要求，但是換熱管材中的Cu含量明顯低于設(shè)計(jì)要求。標(biāo)準(zhǔn)中雖然要求Cu 含量≤0.25%，但設(shè)計(jì)成分須達(dá)到0.01%，而換熱管中Cu 含量＜0.005%，明顯偏低。Cu 元素的缺失會(huì)弱化材料的抗腐蝕性能，Cu 是提高耐腐蝕性能最突出的合金元素之一。鋼材在腐蝕過(guò)程中，銅起到活化陰極的作用，促使鋼陽(yáng)極發(fā)生鈍化，減緩腐蝕，在鋼中加入適量的銅能顯著提高鋼的耐腐蝕性能。含銅量為0.2%的鋼的耐候性比不含銅鋼高20%以上，含銅低碳鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性、良好的焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)良的綜合性能。Cu 元素的缺失會(huì)降低材料的耐蝕性[4]。

表4 穿孔泄露管束材質(zhì)的化學(xué)成分（wt%）

2.5 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)換熱管材料進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)得平均洛氏硬度為80HRB（約為133HB），滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 分析與討論

空冷器換熱管材質(zhì)為10#鋼，10#鋼是一類鋼材料，它的塑性、韌性很好，易冷熱加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好，焊接性優(yōu)良，無(wú)回火脆性，淬透性和淬硬性均差。制造要求受力不大、韌性高的零件，例如汽車車身、貯器、深沖壓器皿、管子和墊片等，可用作冷軋、冷沖、冷鐓、冷彎和熱軋等工藝成形，也可用作心部強(qiáng)度不高的滲碳件和碳氮共滲件等。該組空冷換熱器運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生多處穿孔泄漏，泄漏位置均位于管束管板連接處及接近位置，該部位流體流態(tài)變化復(fù)雜，沖刷腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高。

沖刷腐蝕主要包括電化學(xué)腐蝕和機(jī)械沖刷兩個(gè)部分。電化學(xué)腐蝕是指活潑的金屬材料與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)失去部分電子，金屬原子變成離子形態(tài)離開(kāi)金屬并與腐蝕性物質(zhì)形成化合物的過(guò)程[5-6]。圖6 中的能譜檢測(cè)顯示腐蝕產(chǎn)物中含有大量的金屬氧化物，說(shuō)明穿孔部位發(fā)生了明顯的電化學(xué)腐蝕。機(jī)械沖刷是在含有固相或氣相的兩相流或者多相流的情況下，金屬材料受到固體顆?；蛘邭馀葑矒舯砻嬷螅饘俦砻姘l(fā)生微小變形的質(zhì)量損失行為[7]。在自然腐蝕的情況下，沖刷腐蝕萌生于金屬表面隨機(jī)分布的小陽(yáng)極點(diǎn)，通過(guò)腐蝕降低了金屬表面硬度，隨著流體的沖刷和沙粒的撞擊導(dǎo)致了陽(yáng)極區(qū)域的擴(kuò)展，表面形成了“火山坑”腐蝕形貌，沖刷腐蝕得到進(jìn)一步的發(fā)展。沖刷腐蝕是腐蝕性介質(zhì)高速?zèng)_擊的結(jié)果，不耐蝕的材料、造成湍流的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、介質(zhì)腐蝕性的提高且介質(zhì)中含有固體懸浮物將增加腐蝕的程度。強(qiáng)度低、耐蝕性差的材料在含有汽液兩態(tài)介質(zhì)、酸性介質(zhì)、海水、鹽水和含固態(tài)顆粒的河水中均有沖刷腐蝕的失效案例，例如碳鋼、銅合金、鋁合金和鑄造奧氏體不銹鋼，在金屬表面會(huì)形成溝痕、波紋、渠槽、淚滴和馬蹄型等形狀的凹槽[8]。圖1中，在孔2 對(duì)應(yīng)位置內(nèi)壁存在大面積的馬蹄形蝕坑，蝕孔深度不均勻，最深處已穿透管壁。馬蹄形蝕坑宏觀形貌上滿足沖刷腐蝕特征；圖3 中孔1 和孔2 內(nèi)表面的掃描電鏡形貌較為平滑，為流線型，微觀上符合沖刷腐蝕特征。

X 射線熒光光譜法檢測(cè)顯示材料中Gu 元素含量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使換熱管耐蝕性降低，加之流體機(jī)械沖刷的協(xié)同作用，使換熱管發(fā)生腐蝕穿孔泄露，雖然材料中Gu 元素含量較低，但是這并不是換熱管失效穿孔的主要原因，Gu 元素雖然能提高材料的耐腐蝕性能，但不能提高10#鋼材質(zhì)的強(qiáng)度硬度，10#鋼材料材質(zhì)偏軟，硬度較低，耐沖刷腐蝕能力較差。

綜上所述，通過(guò)對(duì)空冷器換熱管失效部位的宏觀形貌分析、金相組織分析、EDS 能譜分析、成分分析和力學(xué)性能分析等多項(xiàng)理化檢驗(yàn)，結(jié)合穿孔及腐蝕減薄部位綜合判斷換熱管失效的主要原因?yàn)橐后w沖刷腐蝕和內(nèi)部侵蝕性介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕協(xié)同作用，孔蝕引起的局部管壁減薄，最終導(dǎo)致穿孔，在該過(guò)程中沖刷腐蝕起主要作用。

4 結(jié)論

結(jié)合穿孔及腐蝕減薄部位綜合判斷換熱管失效主要原因?yàn)橐后w沖刷腐蝕和內(nèi)部侵蝕性介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕協(xié)同作用。

沖刷腐蝕起主要作用，可選用強(qiáng)度和硬度更高的材料升級(jí)換熱管管材。