加氫換熱器管束腐蝕斷裂分析及改進措施

王朝平

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137）

奧氏體不銹鋼的點蝕和腐蝕疲勞開裂是煉化裝置常見的失效形式［1］，常在鹵素離子環境中，尤其是Cl-與外界應力耦合作用的環境下產生，且不易被察覺，會對企業的正常生產帶來較為嚴重的危害和損失［2-3］。

某煉油企業加氫裂化裝置一臺反應產物與低分油換熱器，為雙殼程U型高壓換熱器，管箱為15CrMo+堆焊347，殼程為Q345R，管板為鍛件15CrMo+堆焊347，管束材質為06Cr18Ni11Ti。該換熱器管程進口溫度244℃，出口溫度227℃；管程進口壓力16.2 MPa，出口壓力為16.1 MPa。殼程進口溫度133℃，出口溫度210℃；殼程進口壓力2.5 MPa，出口壓力2.4 MPa。管程介質為加氫裂化反應產物，殼程介質為低分油。

1 換熱器腐蝕情況

該換熱器服役13 a后，發現內漏，拆解后觀察換熱器發現，換熱管的管束中有2根外側換熱管已經斷裂、脫出。管束上部基本完好，下部有部分白色偏黃的鹽垢，近管板處管子外積垢多，垢層剝除后，垢層下管子外觀良好。換熱器管束的腐蝕形貌見圖1，換熱器的工藝流程見圖2。

圖1 換熱管管束集合

圖2 失效換熱器的工藝流程示意

2 換熱管檢測分析

2.1 斷口宏觀分析

從換熱管斷裂位置進行觀察，A和B兩根換熱管斷裂位置均位于管板附近（見圖3）。換熱管A斷裂處位于管板低壓側距管板約20 mm處，換熱管B斷裂處位于管板低壓側距管板約60 mm處。

圖3 換熱管斷裂位置

該換熱器的管束為U型管，觀察發生斷裂的換熱管A和B斷口部位，分別標記為斷口a和斷口b，見圖4。斷口a和b均無明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂；斷口a與換熱管軸向大致垂直，斷口b與換熱管軸向大致呈45°角，說明該換熱管在安裝過程中存在扭矩。同時，在換熱管B內壁發現存在點蝕情況，點蝕坑呈碗狀［4］，點蝕坑底部存在微裂紋。

圖4 宏觀斷口形貌

2.2 材料化學成分分析

對換熱管取樣進行材料化學成分分析，分析結果見表1。將檢測值與GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》［5］中要求值進行比對，確認失效換熱管材料化學成分符合標準要求。

表1 換熱管化學成分分析 w，%

2.3 斷口掃描電鏡觀察及能譜分析

通過掃描電鏡觀察換熱管A斷口形貌，發現斷口a表面存在貝殼紋的痕跡，較平整區域疑似疲勞起裂區，裂紋源位于內壁（見圖5）；斷口a截面在掃描電鏡下可觀察到斷面上存在放射紋，通過回溯放射紋的交匯點，可判斷出起裂點位于換熱管內壁（見圖6）。通過高倍鏡對擴展區域進行觀察，可觀察到明顯的疲勞輝紋，因此可以認定該換熱管斷裂情況為疲勞斷裂。

圖5 換熱管A起裂區

圖6 斷口a表面形貌

換熱管B斷口及點蝕坑底部的微裂紋形貌見圖7和圖8。由圖7可以看出，斷口存在較為清晰的起裂源與貝殼紋，因此推測該斷口為疲勞斷口。由圖8可以看出，斷口表面存在多處起裂點，可劃分出較為明顯的疲勞擴展區和瞬斷區；將疲勞擴展區放大至高倍鏡進行觀察，可觀察到疲勞輝紋。通過高倍鏡對瞬斷區進行觀察，瞬斷區的大部分形貌已遭到破壞，但是仍然可以觀察到一部分韌窩，可判定該換熱管是由于疲勞發生斷裂的。

圖7 換熱管B起裂源

圖8 斷口b表面形貌

將換熱管B內壁點蝕坑底部的微裂紋通過機械手段打開，裂紋表面形貌見圖9。有研究表明，點蝕在演化過程中可逐步過渡產生疲勞裂紋［6］。由圖9可以看出，點蝕坑底部微裂紋表面具有典型的河流狀脆性解理開裂特征，屬于脆性開裂裂紋；河流狀花樣從內壁擴展至外壁，證明裂紋從管內壁起裂。

圖9 微裂紋表面形貌

由于兩處斷口均從內壁起裂，考慮到管內介質對換熱管材料的影響，因此對換熱管B斷口處進行能譜分析，分析結果見表2。由表2可知，斷口b表面存在一定量的Cl元素；奧氏體不銹鋼材料對于Cl元素較為敏感，可能產生腐蝕疲勞開裂等問題。

表2 斷口b表面能譜分析結果 w，%

2.4 金相分析

為進一步分析換熱管內壁情況，對換熱管A未開裂部位取樣進行金相分析。試樣經鑲嵌、磨制、拋光后再通過草酸溶液電解侵蝕處理，進行金相組織分析觀察，結果見圖10。

圖10 換熱管取樣部位及金相

從圖10金相組織照片中可以觀察到，換熱管材料的金相組織為奧氏體組織，換熱管內壁存在大量裂紋；裂紋尖端圓鈍，不存在樹枝狀穿晶開裂特征，可以排除應力腐蝕開裂的可能。結合換熱管B內壁處出現的點蝕現象，可推斷裂紋符合奧氏體不銹鋼腐蝕疲勞開裂的特征。

3 分析與討論

腐蝕疲勞是材料在交變載荷引起的循環應力和腐蝕介質的共同作用下造成的一種失效形式。單一的腐蝕或是交變載荷作用未必會對設備造成顯著的失效風險，材料對于常規的疲勞也都會存在一定的疲勞極限。而在二者共同作用下，即使腐蝕介質濃度不高或是循環應力不大，也可在材料中快速形成穿透性裂紋［7］。

對發生斷裂的換熱管A和B進行分析可以確定，內壁的點蝕和腐蝕疲勞開裂是此次失效的直接原因。氯離子富集導致換熱管內壁06Cr18Ni11Ti材料表面鈍化膜遭到破壞造成點蝕，并以點蝕坑底部作為起裂源在交變載荷作用下產生疲勞裂紋并擴展，最終過載導致換熱管發生斷裂。

3.1 腐蝕介質

失效的換熱管材質為06Cr18Ni11Ti，具有優異的耐高溫性能和耐晶間腐蝕性能，是加氫裝置反應系統高壓換熱器中常用的材料，而Cl等鹵族元素可破壞不銹鋼表面鈍化膜，形成點蝕坑，同時所形成的點蝕坑底部可作為陽極，與具有鈍化膜的金屬表面發生電化學腐蝕，使得表面鈍化膜持續遭到破壞，材料不斷被侵蝕［8］。若材料存在循環應力，則在點蝕坑底部會出現應力集中現象，使得組織發生塑性流動，萌生微裂紋。而材料發生塑性滑移的區域，其金屬活性得到增強，金屬溶解加速，導致腐蝕進一步加劇。在循環應力的繼續作用下，微裂紋最終擴展形成腐蝕疲勞裂紋［9］，其形成和擴展過程見圖11。

圖11 腐蝕疲勞裂紋的形成與擴展過程

通過斷口能譜分析及換熱管內壁金相觀察可以確定，失效換熱管的表面存在一定量的腐蝕介質，正是介質中的氯元素，導致換熱管的內壁產生了大量尖端圓鈍的裂紋。由于參與加氫裂化反應的原料油及循環氫中可能含有微量的無機氯化物［10］，而該失效換熱器位于加氫裂化反應系統的下游，管內介質為200℃左右的加氫反應產物，在該換熱器管程出口處正好為氯化銨鹽結晶析出溫度，因此換熱管內壁極有可能受Cl離子侵蝕產生點蝕坑。

3.2 交變載荷

失效的換熱器屬于典型的高低壓差換熱器，管殼程的兩側壓差較大，極易因壓差產生強烈的振動。管束為U型管，管程介質為加氫裝置的反應產物。雖然介質壓力較高，但流量一直比較穩定。殼程流體為低分油介質，流體從換熱器下部垂直進入殼程，沖擊管束的換熱管，因此管束受到一個垂直管束軸向的載荷沖擊，從發生斷裂的兩根換熱管最外側觀察到，換熱管受沖擊載荷作用比較明顯。查閱該臺換熱器殼程側的工藝流程圖和近一年的流量操作趨勢曲線，殼程側設有一組流體進料的溫控調節副線，受上游溫控的影響，進入殼程的流體流量不太穩定，造成了殼程流體誘導受到循環載荷沖擊，使得管束在近管板處（進料處）受到較大的彎矩。此外，兩處斷裂部位均位于換熱管近管板處內側邊緣，而近管板處換熱管相對運動受限，因此即使管束末端所受交變載荷極小，在近管板處的管截面上也將產生明顯的循環應力。

綜上所述，該換熱器管束由于受到殼程流體垂直方向上的沖擊載荷，加之管內介質存在含有Cl的腐蝕性介質，導致管內壁產生點蝕，在循環應力作用下產生腐蝕疲勞，最終導致疲勞斷裂。

4 結論及建議

換熱器的管束斷裂失效是由于點蝕和腐蝕疲勞導致的，造成斷裂的主要原因是管程介質中有Cl等腐蝕性元素，最終導致點蝕的產生，且管程受殼程介質沖擊載荷影響，在近管板處產生一定的循環應力促進了腐蝕坑處疲勞裂紋的產生和擴展。為了減緩換熱器的腐蝕失效，建議采取以下措施：

（1）在殼程的換熱管進料區域設置防沖擋板，避免流體對換熱管的直接沖擊，減少或消除近管板處換熱管受到的循環應力。

（2）加強加氫裂化裝置的進料控制管理，減少加氫裂化原料和加氫所用氫氣中的Cl含量。

（3）強化換熱器尤其是殼程側的溫度控制，盡可能保持操作工藝流量的穩定性。