全焊接式換熱器應(yīng)力腐蝕裂紋故障分析

黃科馳

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457）

0 引言

某海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪生產(chǎn)設(shè)施上安裝了5 臺(tái)阿法拉伐全焊接式CP75 熱交換器，用于原油進(jìn)艙前的熱交換，原油換熱介質(zhì)為乙二醇（50%水+50%乙二醇）。自2012 年開始，設(shè)施陸續(xù)出現(xiàn)內(nèi)部泄漏。通過金相分析，發(fā)現(xiàn)泄漏的原因是乙二醇介質(zhì)受海水污染，導(dǎo)致原油換熱器出現(xiàn)SCC（Stress Corrosion Crack，應(yīng)力腐蝕裂紋）。應(yīng)力腐蝕裂紋是換熱器常見，但十分嚴(yán)重的問題。

余存燁[1]提出應(yīng)力腐蝕裂紋開始后沒有切實(shí)可行的方法使其停止，開裂形成與擴(kuò)展相當(dāng)快，通常認(rèn)為應(yīng)力腐蝕裂紋是金屬或合金在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的，提出使用壓應(yīng)力來處理應(yīng)力腐蝕裂紋，防止其在以后的作業(yè)中繼續(xù)開裂。田京城[2]提出在機(jī)械行業(yè)中，應(yīng)力腐蝕裂紋占所有腐蝕情況的絕大部分，并對(duì)金屬的SCC 腐蝕曲線進(jìn)行研究，提出固定管板換熱器使用方法。余存燁等[3-5]提出使用化學(xué)試劑對(duì)不銹鋼換熱器及其他設(shè)備定期進(jìn)行化學(xué)清洗以去除表面氯離子富集的污垢，防止應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生，延長(zhǎng)換熱器的使用壽命。孔文彬等[6]分析了板式換熱器的失效形式，并對(duì)其腐蝕處進(jìn)行微觀研究，分析了所含元素對(duì)不銹鋼的各種不利作用。鄭啟文等[7]闡述了多個(gè)石化換熱器應(yīng)力腐蝕開裂的狀況，并提出使用雙相不銹鋼來代替奧氏體不銹鋼。李玲[8]分析了不銹鋼換熱設(shè)備的失效形式，并提出尋求耐蝕性和耐沖性能均佳的金屬材料是一種有效途徑。余存燁[9]提出環(huán)境中的氯化物和氯離子對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂也有一定影響。

本文通過對(duì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋的換熱器進(jìn)行分析，對(duì)腐蝕處的樣品材料進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)冷媒系統(tǒng)的氯離子濃度較高，其根本原因?yàn)榘迨綋Q熱器的板片受壓力波動(dòng)影響出現(xiàn)了疲勞裂紋導(dǎo)致海水泄漏進(jìn)了冷媒系統(tǒng)，從而導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。為了減少應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生，對(duì)現(xiàn)在使用的不銹鋼腐蝕曲線進(jìn)行分析，并依靠不銹鋼特性選擇了254SMO 不銹鋼用作換熱器新材料。

1 應(yīng)力腐蝕裂紋分析

某海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪生產(chǎn)流程中換熱系統(tǒng)流程為海水冷卻乙二醇，乙二醇再和流程中的介質(zhì)進(jìn)行熱交換。原油處理流程使用的換熱器是阿法拉伐公司生產(chǎn)的COMPABLOC-7V500 型全焊接式換熱器，由500 片316L 板片整體焊接成型。作為換熱介質(zhì)的乙二醇冷媒系統(tǒng)是閉式循環(huán)，乙二醇冷媒的熱交換主要通過海水/冷媒（T50 板式換熱器）進(jìn)行換熱，然后再進(jìn)行下一級(jí)的天然氣和原油系統(tǒng)的熱交換。原油系統(tǒng)PID 如圖1 所示。

圖1 原油系統(tǒng)PID

從2012 年開始，5 臺(tái)原油換熱器分別出現(xiàn)內(nèi)部泄漏現(xiàn)象（圖2），泄漏位置位于頂點(diǎn)處。將被腐蝕破壞的換熱器陸續(xù)送回陸地進(jìn)行焊接修復(fù)，但是修復(fù)的換熱器在投入使用后很短周期就再次發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象。

圖2 泄漏檢查

為查清導(dǎo)致泄漏的主要原因，對(duì)換熱器進(jìn)行焊接檢查和壓力測(cè)試（圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)在容器的內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，所以雖然對(duì)發(fā)生裂紋的換熱器進(jìn)行焊接修補(bǔ)，但是由于殘余應(yīng)力的存在仍然會(huì)導(dǎo)致繼續(xù)破損，最終導(dǎo)致內(nèi)泄漏。

圖3 故障檢測(cè)

采取腐蝕處的樣品進(jìn)行常規(guī)冷媒取樣化驗(yàn)，對(duì)冷媒系統(tǒng)中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行記錄，從圖4 中可以看出氯化物和氯離子的含量一直都保持在較高的程度，氯離子含量超標(biāo)。

圖4 冷媒化驗(yàn)記錄

檢查換熱器，發(fā)現(xiàn)其根本原因是由于T50 板式換熱器的板片受壓力波動(dòng)的影響出現(xiàn)了疲勞裂紋。由于多年運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致板片出現(xiàn)了疲勞裂紋（圖5），同時(shí)由于設(shè)備原始設(shè)計(jì)的海水側(cè)壓力高于冷媒側(cè)壓力，導(dǎo)致海水進(jìn)入冷媒介質(zhì)，污染了整個(gè)冷媒系統(tǒng)，使氯離子濃度異常升高。

圖5 換熱器板片腐蝕裂痕

2 維修與改進(jìn)

為了防止板片繼續(xù)發(fā)生腐蝕，根據(jù)不銹鋼的腐蝕曲線選取抗腐蝕性能更加優(yōu)良的不銹鋼材料。原油換熱器316L 材料在冷媒中含有不同高濃度的氯離子的情況下的腐蝕曲線如圖6 所示，由圖中可以看出，在操作溫度為90 ℃的情況下極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖6 316L 材料在氯離子環(huán)境下的腐蝕曲線

通過對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，首先對(duì)整個(gè)冷媒系統(tǒng)的壓力進(jìn)行了調(diào)整，使其低于海水壓力，并定期取樣檢測(cè)氯離子的濃度。考慮到換熱器的可靠性，通過查閱有關(guān)技術(shù)資料，254SMO 的腐蝕曲線如圖7 所示，和圖6 比較可以看出254SMO在含氯離子的環(huán)境下，耐腐蝕性能優(yōu)于普通不銹鋼。254SMO 在化學(xué)成分上與普通不銹鋼不同，具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水環(huán)境下有良好的抗點(diǎn)蝕性能和較好的抗應(yīng)力腐蝕性能，耐高溫和耐腐蝕性能優(yōu)良，是普通不銹鋼所不具備的。

圖7 254SMO 不銹鋼腐蝕曲線

3 結(jié)論

應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)生之前通常沒有任何征兆，是在幾乎沒有宏觀塑性變形的情況下突然發(fā)生材料的脆性裂紋，會(huì)對(duì)原油處理流程產(chǎn)生一定影響。應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生機(jī)理與材料、環(huán)境介質(zhì)、應(yīng)力3 個(gè)因素有關(guān)，所以只要根據(jù)情況調(diào)整改變其中的一個(gè)或兩個(gè)因素，就可以避免應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生。本文針對(duì)換熱器內(nèi)泄漏問題進(jìn)行冷媒取樣化驗(yàn)，結(jié)果證明冷媒系統(tǒng)中氯離子含量較高，而其根本原因是由于板式換熱器的板片出現(xiàn)了疲勞裂紋，導(dǎo)致海水泄漏進(jìn)入冷媒。根據(jù)不銹鋼材料抗腐蝕性能，選擇使用254SMO 材料替換原油冷卻器材料，并控制乙二醇冷媒的氯離子濃度，提高換熱器可靠性，降低傳熱器板片發(fā)生疲勞腐蝕的可能性，對(duì)預(yù)防應(yīng)力腐蝕裂紋有重要意義。