循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱管斷裂原因

盧雪梅,陳夢婷,吳娜榮,李燕嬌,王 亮,宋文明

(機械工業(yè)上海藍亞石化設備檢測所有限公司,上海 201518)

循環(huán)油蒸汽發(fā)生器是一種重要的換熱設備，為了達到節(jié)能目的，可以采用油漿循環(huán)的方法來提升殼程中汽水混合物的溫度。在使用過程中，受腐蝕介質、設備振動、溫差以及生產制造過程中出現(xiàn)焊接和機械脹接不當等因素的影響[1]，循環(huán)油蒸汽發(fā)生器經常出現(xiàn)換熱管斷裂的問題，嚴重影響了設備與裝置的安全、平穩(wěn)運行，并造成巨大的經濟損失，因此找出循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱管斷裂的原因，對延長循環(huán)油蒸汽發(fā)生器的使用壽命至關重要[2]。

某公司循環(huán)油蒸汽發(fā)生器為“高-低”U型管螺紋鎖緊環(huán)釜式蒸汽發(fā)生器，因系統(tǒng)動力電源臨時斷電，管程進口側的增壓泵停車，設備殼體溫度、壓力和液位急劇升高，緊急放散裝置發(fā)生超壓泄漏，排放出大量的油氣和蒸汽,拆解發(fā)現(xiàn)有換熱管發(fā)生斷裂。筆者采用宏觀觀察、垢物成分分析、金相檢驗、硬度測試及掃描電鏡分析等方法，分析了該換熱管斷裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對斷裂換熱管進行宏觀觀察，結果如圖1所示。由圖1可見：管束上部最外側1根換熱管的中間貼脹部位發(fā)生環(huán)向斷裂，且斷裂后的換熱管在高壓流體的作用下向后退縮變形。

1.2 金相檢驗

在斷裂換熱管截面處取樣進行金相檢驗，結果如圖2所示。由圖2可知：換熱管的顯微組織為奧氏體+析出相，析出相呈點狀、鏈狀分布，組織正常。

圖1 斷裂換熱管的宏觀形貌

圖2 斷裂換熱管的顯微組織形貌

斷裂換熱管裂紋處的微觀形貌如圖3所示，可見裂紋斷裂方向從外向內，呈沿晶、穿晶混合斷裂，在裂紋擴展區(qū)局部區(qū)域有晶粒脫落。

圖3 斷裂換熱管裂紋處的微觀形貌

1.3 硬度測試

分別對該斷裂換熱管段的未脹接區(qū)、脹接區(qū)和過渡區(qū)進行硬度測試，結果如圖4所示，可見管段未脹接區(qū)的硬度符合GB/T 4340.2—2012 《金屬材料 維氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗與校準》的要求，脹接區(qū)和過渡區(qū)的硬度比未脹接區(qū)的硬度高，說明脹接區(qū)和過渡區(qū)管壁的應力比未脹接區(qū)管壁的應力大。

圖4 斷裂換熱管段未脹接區(qū)、脹接區(qū)和過渡區(qū)的硬度測試結果

1.4 掃描電鏡(SEM)分析

對斷裂換熱管斷口處進行SEM分析，結果如圖5所示。由圖5可知：換熱管啟裂區(qū)、裂紋擴展區(qū)及裂紋尖端均呈沿晶開裂特征，斷面呈塊狀，并可見二次裂紋，晶面附著有顆粒狀垢物。

1.5 垢物成分分析

在同一根斷裂換熱管上取3個試樣進行垢物成分分析，并編號為1#，2#，3#試樣。其中1#試樣垢物成分取自管板殼程側斷裂面，斷面位置與脹接過渡區(qū)較近；2#試樣垢物成分取自近管板側新鮮斷裂面(裂紋手動打開面)；3#試樣垢物成分取自近管板側斷裂面，斷面位置與脹接過渡區(qū)較近。采用能譜儀對1#～3#試樣進行垢物成分分析，結果如圖6所示，可見3個試樣均主要含有C，O，Cr和Fe等元素，其中2#試樣中含有Na，P元素，Na元素的質量分數為4.73%。

圖5 斷口的SEM形貌

圖6 斷裂換熱管的垢物成分分析結果

2 綜合分析

綜合上述結果可知，該斷裂換熱管的硬度和顯微組織均無異常。裂紋起始于換熱管外壁，從外向內擴展，裂紋在擴展過程中以沿晶+穿晶混合開裂特征為主，并有晶粒脫落。斷口的啟裂區(qū)、擴展區(qū)、裂紋尖端均呈沿晶開裂特征，斷面呈塊狀，并可見沿晶二次裂紋，晶面附著有顆粒狀垢物，這個特征與裂紋的微觀形貌相吻合，符合堿性溶液中的沿晶應力腐蝕開裂特征[3-4]。

循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱管的接觸介質是除氧水和蒸汽，正常情況下含有一定量的磷酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸和二氧化碳。在換熱管操作溫度(104～275 ℃)下，換熱管發(fā)生水解反應生成了OH-，OH-與換熱管內水中的Na+結合成游離的NaOH[5]，導致堿濃度升高，在脹管等有縫隙的地方，堿液發(fā)生富集、濃縮。該換熱管服役時溫度較高，加劇了介質中離子的運動，且溫度越高，發(fā)生堿脆所需的濃度越低，發(fā)生應力腐蝕斷裂的趨勢越大[6-7]。研究表明，金屬及合金材料在堿性溶液中，拉應力和腐蝕介質會導致堿脆[8-9]，堿濃度越高，材料的斷裂敏感性越大[10]。

在104～275 ℃的服役溫度下，隨著水解反應的進行，換熱管脹管縫隙位置的堿濃度不斷升高，在應力作用下，形成了堿脆發(fā)生的特定條件。隨著縫隙位置堿液的富集、濃縮，換熱管表面形成了細小裂紋，堿液也在裂紋處聚集。在堿濃度較高的條件下，裂紋尖端成為陽極反應區(qū)，并在軸向應力的作用下，裂紋迅速擴展，最終導致?lián)Q熱管發(fā)生斷裂。

3 結論與建議

循環(huán)油蒸汽發(fā)生器換熱器發(fā)生了堿應力腐蝕斷裂。可以采用陰極保護、表面噴漆等防護方法對應力腐蝕進行控制，并控制裝置開工、停工的速率，以減少因溫差而產生的斷裂。