換熱器密封盤開裂失效分析

張旭日 王淑杰 王春茂

（1.山東昌邑石化有限公司 濰坊 261300）

（2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250101）

某單位180 萬(wàn)t／a 柴油加氫改制裝置反應(yīng)流出物／混合進(jìn)料換熱器，為第III 類壓力容器，管程介質(zhì)-反應(yīng)流出物主要成分為硫化氫、氫氣、油氣、油，設(shè)計(jì)溫度為321 ℃，設(shè)計(jì)壓力為8.82 MPa，工作溫度為301／220 ℃，最高工作壓力為8.4 MPa。該換熱器投用87 天后，其密封盤開裂。密封盤材質(zhì)為S32168，直徑為φ1 685 mm，厚度為13 mm，凸緣厚10 mm，密封盤厚度最小處為彈性變形區(qū)5 mm，密封盤在設(shè)備中位置如圖1 中組合件1 所示。

圖1 密封盤在設(shè)備中位置（組合件1）

在密封盤邊緣環(huán)形區(qū)域內(nèi)肉眼可見明顯宏觀裂紋，裂紋位于彈性變形區(qū)內(nèi)，沿密封盤密封面邊緣環(huán)向分布，見圖2。

圖2 密封盤開裂局部

1 檢驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀形貌檢查

失效密封盤介質(zhì)側(cè)開裂位于彈性變形區(qū)的薄板，靠近密封盤外側(cè)密封面過渡圓角處，沿環(huán)線整圈開裂，呈現(xiàn)多源起裂、沿環(huán)線擴(kuò)展連接的特點(diǎn)，部分裂紋已經(jīng)貫穿密封盤厚度方向。

密封盤厚度方向的裂紋形貌見圖3，開裂從管箱側(cè)向封頭側(cè)開裂，裂紋始于彈性變形區(qū)與密封面的過渡圓角或外圈壓環(huán)與密封盤的接觸面邊緣，呈現(xiàn)分枝狀。內(nèi)圈壓環(huán)與密封盤接觸邊緣沿密封盤環(huán)向部分開裂，開裂程度低于近過渡圓角處。

圖3 密封盤近過渡圓角處沿厚度方向開裂形貌

從密封盤封頭側(cè)觀察，密封盤近過渡圓角處存在明顯的加工凹槽，貫穿裂紋位于此凹槽內(nèi)，表面粗糙度較大，見圖4。

圖4 內(nèi)圈壓環(huán)與密封盤接觸面兩側(cè)開裂形貌

1.2 化學(xué)成分分析

失效密封盤的化學(xué)成分符合GB／T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中對(duì)S32168 的要求，見表1。

表1 化學(xué)成分wt%

1.3 力學(xué)性能分析

力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果見表2，力學(xué)性能符合GB／T 24511—2017 中對(duì)S32168 的要求，其中試樣2斷后伸長(zhǎng)率A略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 力學(xué)性能

1.4 金相組織分析

在密封盤開裂所在環(huán)線上無(wú)宏觀裂紋部位進(jìn)行金相取樣，按照GB／T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》的要求對(duì)密封盤裂紋周圍進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，侵蝕劑選用王水，金相顯微組織見圖5。金相具有欒晶的奧氏體晶粒上有沿加工變形方向分布的黑色長(zhǎng)條狀α 鐵素體，散狀分布的方形或三角形粉色部位為碳化鈦，未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋，未發(fā)現(xiàn)馬氏體等硬脆相，金相顯微組織未發(fā)生變化。其中奧氏體晶粒大小不均，鐵素體含量偏多，約占10%。

圖5 金相顯微形貌

在密封盤有宏觀裂紋區(qū)域，按照GB／T 13298—2015 對(duì)密封盤裂紋周圍進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)。裂紋附近及未裂部位均為奧氏體加長(zhǎng)條狀鐵素體組織，有極少量的碳化鈦。裂紋形貌見圖6，顯微組織顯示裂紋呈樹枝狀分布。主裂紋擴(kuò)展形式主要以穿晶開裂為主，尖端分叉較多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌。裂紋形貌有明顯的奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂特征[1-3]。

圖6 短裂紋形貌

1.5 斷口掃描電鏡檢測(cè)

沿環(huán)線裂紋開裂處取樣，通過掃描電鏡觀察未清洗開裂表面，形貌見圖7，開裂沿厚度方向全部貫穿，表面附著較多換熱器內(nèi)管程介質(zhì)或腐蝕產(chǎn)物，可見微裂紋，未發(fā)現(xiàn)明顯晶間裂紋。

圖7 開裂表面形貌

對(duì)裂紋結(jié)合面進(jìn)行能譜檢測(cè)分析，詳細(xì)結(jié)果見圖8。結(jié)果顯示，裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物主要包括較多的氧化物、硫化物和少量氯化物。

圖8 開裂表面能譜分析

對(duì)開裂表面清洗觀察發(fā)現(xiàn)，表面有少量的大裂紋，微裂紋極多，存在沿同一個(gè)方向擴(kuò)展的密布多源微裂紋，偶有較深的點(diǎn)蝕坑，表面有明顯的腐蝕特征，見圖9。

元素重量／% 原子／%元素重量／% 原子／%C 2.95 7.26 Ca 0.35 0.26 O 30.71 56.69 Cr 2.34 1.33 Si 0.64 0.68 Mn 1.80 0.97 S 0.45 0.42 Fe 53.48 28.28 Cl 0.65 0.54 Ni 4.12 2.07 K 1.50 1.13 Br 1.01 0.37總量100.00——

圖9 斷面形貌

2 失效原因分析

1）失效密封盤金相組織為非等軸晶，晶粒大小不一，鐵素體含量高。顯微組織分析顯示裂紋呈樹枝狀分布，主裂紋擴(kuò)展形式主要以穿晶開裂為主，尖端分叉較多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌，是典型的應(yīng)力腐蝕形貌。

2）運(yùn)行時(shí)密封盤接觸介質(zhì)為管程介質(zhì)-反應(yīng)流出物（主要成分為硫化氫、氫氣、油氣、油）。工藝流程中為防止結(jié)晶會(huì)向第三級(jí)換熱器前管路中注水，管程中就形成了與不銹鋼形成腐蝕體系的H2S水溶液。在能譜分析中還發(fā)現(xiàn)了Cl 元素，說(shuō)明溶液中還有游離態(tài)Cl-，存在應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)條件。

3）設(shè)備密封盤彈性變形區(qū)是密封盤的加工壁厚最薄處，在密封盤的過渡圓角及近過渡圓角、內(nèi)圈壓環(huán)的接觸邊緣是受力最大部位[4-5]。失效盤的過渡圓角較小，倒角越小密封盤應(yīng)力越大，密封盤裂紋產(chǎn)生部位與拉應(yīng)力區(qū)域具有很好的對(duì)應(yīng)性。

綜上所述，失效密封盤金相組織晶粒大小不均、存在較多的欒晶，密封盤本身在過渡圓角處存在應(yīng)力集中，在工作載荷的條件下，密封盤將產(chǎn)生變形，帶來(lái)較大的附加應(yīng)力。換熱器的工作環(huán)境為高溫高壓，工作溫度為301／220 ℃，最高工作壓力為8.4 MPa，管程介質(zhì)中含有與不銹鋼形成腐蝕體系的H2S 溶液和Cl-。在應(yīng)力、腐蝕環(huán)境共同作用下，局部裂紋貫穿密封盤壁厚，腐蝕介質(zhì)發(fā)生泄漏，導(dǎo)致整個(gè)部件失效。因此根據(jù)上述分析，可以認(rèn)為，在拉應(yīng)力和管箱內(nèi)H2S 溶液、Cl-等腐蝕環(huán)境的共同作用下，在密封盤邊緣環(huán)形區(qū)域處發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

某換熱器密封盤投用短時(shí)間內(nèi)發(fā)生開裂主要是由于彈性變形區(qū)與密封面的過渡圓角處、內(nèi)圈壓環(huán)與密封盤的接觸邊緣存在應(yīng)力集中和附加應(yīng)力，密封盤處于H2S 溶液和Cl-腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，在密封盤拉應(yīng)力最大區(qū)域處發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，在設(shè)備使用過程中為了避免發(fā)生這種開裂，應(yīng)從材料、應(yīng)力狀態(tài)和介質(zhì)環(huán)境進(jìn)行充分考慮，給出以下預(yù)防失效的建議和措施：

1）密封盤選材方面，金相組織以鐵素體含量少的均勻細(xì)小奧氏體等軸晶為佳；

2）制造方面，建議厚度正偏差，加大過渡圓角，提高表面質(zhì)量；

3）供需雙方可協(xié)商，對(duì)鋼板提出晶間腐蝕試驗(yàn)要求。