廢酸裝置一級換熱器換熱管開裂原因

賴玉林,戰(zhàn)捷,邸久源,王陽,楊棟,張鵬翀,段榮濤

(1.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司,上海 201614;2.中國石油大連石化分公司,遼寧 大連 116031)

換熱器廣泛用于石油化工行業(yè),在實(shí)現(xiàn)熱能交換與傳遞中扮演了至關(guān)重要的角色。換熱管是換熱器的核心部件,若過早失效將導(dǎo)致?lián)Q熱器整體壽命縮短,甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失及安全事故[1-2]。因此,研究總結(jié)換熱管失效原因,對換熱器的安全運(yùn)行有著非常重要的意義。本文就某石化公司廢酸裝置一級換熱器的U型換熱管失效為例,在失效換熱管上取樣并進(jìn)行了一系列理化試驗(yàn),分析了換熱管開裂的原因[3-6]。

1 設(shè)備概述

某石化公司廢酸裝置一級換熱器的U型換熱管彎頭處發(fā)生開裂泄露,準(zhǔn)備采用堵管的方式進(jìn)行維修,堵管位置定為泄露管段的中間直段位置,然而在封堵過程中,鄰近堵頭處亦發(fā)生了開裂,如圖1所示。換熱管規(guī)格為φ33.4 mm×6.5 mm,材質(zhì)為TP 446-1,換熱器殼程介質(zhì)為過程氣,入口溫度約為1 000 ℃,管程介質(zhì)為熔鹽,出口溫度約為473 ℃。

圖1 換熱管開裂部位圖

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀檢查

在失效換熱管直管段上進(jìn)行切割取樣,共取2段,分別標(biāo)記為1#、2#,1#換熱管取樣長度約為245 mm,2#換熱管取樣長度約為211 mm。換熱管整體宏觀形貌如圖2、3所示,換熱管外壁呈鐵銹色,附著有紅色垢物,管內(nèi)壁呈鐵銹色,換熱管內(nèi)外無發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕痕跡,從換熱管橫截面形貌來看,管壁亦無明顯減薄。

圖2 1#換熱管整體形貌

圖3 2#換熱管整體形貌

2.2 無損檢測

依據(jù)NB/T 47013.5《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分:滲透檢測》的要求,對換熱管進(jìn)行滲透檢測,結(jié)果表明,換熱管內(nèi)外壁表面均無明顯裂紋類缺陷,如圖4所示。

圖4 滲透檢測

2.3 理化檢驗(yàn)取樣部位說明

為進(jìn)一步分析換熱管失效原因,對取樣部位進(jìn)行分區(qū)、分項(xiàng)檢驗(yàn),如圖5所示,共取1組化學(xué)分析試樣、1組力學(xué)分析試樣和2組金相分析試樣,其中:1#金相試樣以縱截面為檢驗(yàn)面;2#金相試樣以橫截面為檢驗(yàn)面。

圖5 取樣部位示意圖

2.4 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 4336—2016的要求對失效管段母材進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1,可知換熱管化學(xué)成分符合ASTM A268/A268M-20中對TP446-1的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

2.5 金相組織分析

2.5.1 非金屬夾雜物

依據(jù)GB/T 13298和GB/T 10561的規(guī)定,對1#金相試樣進(jìn)行磨制、拋光,以縱截面為檢驗(yàn)面,使用GB/T 10561中A法對試樣非金屬夾雜物進(jìn)行觀察、評級,如圖6所示,結(jié)果表明,換熱管非金屬夾雜物級別為B1.5e,D1級。

圖6 非金屬夾雜物

2.5.2 金相顯微組織

依據(jù)GB/T 13298的規(guī)定,對所取的2個金相試樣進(jìn)行磨制、機(jī)械拋光,采用王水溶液腐蝕,對應(yīng)的金相組織見圖7、8。

圖7 1#金相試樣顯微組織形貌

圖8 2#金相試樣顯微組織形貌

結(jié)果表明,換熱管顯微組織為鐵素體+碳化物顆粒+析出相,鐵素體晶內(nèi)彌散分布著大量碳化物顆粒,部分晶界呈鏈狀,析出相主要分布在晶界處,形成較粗的連續(xù)的黑色晶界。依據(jù)DL/T 884—2019對組織脆化進(jìn)行評級,級別為4級,嚴(yán)重脆化。

采用掃描電鏡對金相組織微觀形貌進(jìn)行觀察,如圖9所示,結(jié)果亦知,換熱管顯微組織為鐵素體+碳化物顆粒+析出相。

圖9 2#金相試樣外壁金相組織微觀形貌

2.6 能譜分析

采用EDAX對換熱管金相組織各相成分進(jìn)行分析,如圖10所示,結(jié)果見表2。結(jié)果表明:各相成分中均含F(xiàn)e、Cr、C和Si元素,黑色塊狀析出相中Cr元素含量較其他區(qū)域略低。

表2 各相成分分析結(jié)果

圖10 各相成分分析部位圖

2.7 硬度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 4340.1規(guī)定,以1#金相試樣面為硬度測定面,換熱管硬度測定值為:331HV10、326HV10,329HV10,結(jié)果表明,換熱管整體的硬度值均偏高。

2.8 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 228、GB/T 229的要求,對換熱管進(jìn)行力學(xué)性能測試,在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時,試樣在加載過程中即發(fā)生縱向斷裂;對換熱管進(jìn)行沖擊試驗(yàn),沖擊功為4 J,沖擊韌性明顯偏低,拉伸試樣斷裂后形貌如圖11所示。

圖11 拉伸試樣整體形貌

2.9 斷口分析

對拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行分析,如圖12所示,試樣沿橫向、縱向均發(fā)生斷裂,a處為橫向斷口,b處為縱向斷口,兩處斷口形貌基本一致,斷面較平整且起伏較小,呈脆性斷裂特征。

圖12 斷口宏觀形貌

采用掃描電鏡對斷口微觀形貌進(jìn)行分析,如圖13所示,斷面存在“河流”花樣和解理臺階,呈解理開裂特征。

圖13 斷口微觀形貌

3 分析與討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知,換熱管化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求;TP446-1屬含氮鐵素體型耐熱不銹鋼,固溶狀態(tài)下正常組織基本為鐵素體,偶有個別析出相顆粒,退火狀態(tài)組織鐵素體+碳化物[7]。根據(jù)金相結(jié)果可知,換熱管顯微組織為鐵素體+碳化物顆粒+析出相,鐵素體晶內(nèi)分布有大量的碳化物顆粒,部分晶界呈鏈狀,而析出相主要分布在晶界處,形成較粗且連續(xù)的黑色晶界,依據(jù)DL/T 884—2019對組織進(jìn)行評級,上述結(jié)果檢驗(yàn)符合組織脆化4級,屬組織異常。

換熱管硬度測定結(jié)果為329HV(321HB),明顯高于ASTM A268/A268M-20中對TP446-1的要求(≤207HB);另外,根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn),試樣在拉伸加載過程中即發(fā)生縱向斷裂,沖擊功為4 J。由此可知,換熱管材料硬度升高而韌性明顯降低。

綜上分析,失效換熱管材質(zhì)發(fā)生了嚴(yán)重脆化。失效換熱管材質(zhì)由于Cr元素含量較高,同時還存在Mn等其他合金元素,因此很難避開σ相脆化、475 ℃脆化、高溫脆化等高Cr鐵素體不銹鋼的固有問題。因σ相為富Cr析出相且呈顆粒狀或鏈狀,易在晶界處富集,這與金相檢驗(yàn)結(jié)果不符,故可排除因σ相脆化而引起的管材韌性下降。經(jīng)X射線能譜(EDAX)分析結(jié)果可知,組織中呈塊狀的黑色析出相成分中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為75.5%～78.1%,Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.8%～20.6%,主要分布于晶界或三角晶界部位,這與α′相特征高度一致:α′相是一種富Cr的脆性相,Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為61%～83%,Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%～37%,α′相易在w(Cr)大于15%、析出溫度為371～550 ℃的條件下形成。查閱設(shè)備設(shè)計及運(yùn)行資料可知,失效換熱管在正常服役時,正好處于α′相敏感溫度區(qū)間內(nèi)。α′相的析出會導(dǎo)致鐵素體不銹鋼的硬度和強(qiáng)度明顯上升,并伴隨著塑性和沖擊韌性的急劇下降,是使鐵素體不銹鋼產(chǎn)生475 ℃脆性的主要原因。

4 結(jié)論與建議

換熱管材料在運(yùn)行過程中,金屬材料發(fā)生劣化,金屬間化合物析出,導(dǎo)致失效換熱管硬度增大、韌性下降、材質(zhì)嚴(yán)重脆化,最終發(fā)生開裂。建議采取以下措施進(jìn)行改進(jìn):

1)進(jìn)行工藝優(yōu)化,增設(shè)控溫設(shè)施,降低換熱器殼程進(jìn)口溫度;加大換熱管清洗頻率,保證換熱效能,避免因結(jié)垢等工藝原因?qū)е聯(lián)Q熱管超溫運(yùn)行。

2)進(jìn)行材料升級,滿足現(xiàn)有工藝的情況下,選擇更加耐高溫的材料,確保設(shè)備運(yùn)行安全。