秦海濤

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 海拉爾 021506)

某公司煤氣化項目耐硫變換裝置在常規(guī)檢修后的開車過程中，換熱器殼側有大量氣體泄漏，造成裝置緊急停車，停車后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，設備殼側膨脹節(jié)的波峰處已經(jīng)明顯開裂，裂縫沿膨脹節(jié)圓周方向延伸約1/4圓周長度，裂縫最寬處達8mm。

此項目所處地理位置為中國北方北緯49°，停車檢修時為10月初，最低氣溫已達零下5℃。因前系統(tǒng)氣化裝置不夠穩(wěn)定，氣氣換熱器已經(jīng)有10余次停車開車過程。此設備于2017年6月投用，在膨脹節(jié)開裂前已累計運行11 424h。

1 設備工作流程及工藝參數(shù)

氣氣換熱器的殼側介質為380℃的變換氣，管側介質為溫度166℃的飽和粗煤氣，氣氣換熱器主要作用是將兩種介質進行換熱，將管側粗煤氣溫度提升至200℃。設備設計及工作參數(shù)見表1，設備殼側變換氣成分見表2。

表1 設備工作參數(shù)

表2 殼程變換氣介質成分

2 設備結構及制造情況

氣氣換熱器是立式安裝的固定管板換熱器，為補償管程與殼程的變形，在殼程設置了一個U形膨脹節(jié)，設計要求成形后最小厚度不得低19.7mm，材質為06Cr18Ni11Ti，制造膨脹節(jié)用鋼板標準為GB/T4237-2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》,膨脹節(jié)采用GB16749-1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》進行制造、檢驗和驗收。在制造過程中，制造廠選用厚度為25mm的板材，經(jīng)冷軋液壓成型為單波膨脹節(jié)，成型后未進行固溶處理和退火處理，膨脹節(jié)尺寸規(guī)格見圖1，設備結構見圖2。對比設備制造資料得知，在膨脹節(jié)制造鋼板成形前，制造膨脹節(jié)用鋼板的各項力學性能及化學成分無超標缺陷，符合要求。相關檢驗數(shù)據(jù)見表3和表4。

圖1 膨脹節(jié)規(guī)格

表3 鋼板力學性能檢驗數(shù)據(jù)

表4 鋼板化學成分檢驗數(shù)據(jù) %

圖2 設備結構

3 膨脹節(jié)損壞的檢測與分析

3.1 斷口宏觀檢測

對損壞膨脹節(jié)進行宏觀檢測，發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)開裂部位主要位于設備圓周0°～90°方向的波峰位置，裂紋從膨脹節(jié)內(nèi)壁開始起源，即從內(nèi)壁開始發(fā)生開裂，裂紋沿著壁厚方向延伸，最終貫穿整個膨脹節(jié)。同時，膨脹節(jié)內(nèi)壁還有較多短裂紋(見圖3)。近內(nèi)壁斷口處表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂，外壁處斷口與內(nèi)壁斷口不同，呈現(xiàn)出明顯的韌性撕裂纖維區(qū)(見圖4)。整個斷口呈現(xiàn)階梯狀，有明顯分層現(xiàn)象，在主斷口上多處可見到近內(nèi)壁的斷口不在同一個平面上，而且兩個平面交匯形成明顯臺階；裂紋接近內(nèi)壁的區(qū)域還存有較多的黑色粉末狀物質，而靠近外壁處的斷口黑色粉末物質較少，可見灰白色的斷口表面。

根據(jù)宏觀檢查結果初步判斷，膨脹節(jié)裂紋是在內(nèi)壁波峰處開始，內(nèi)壁先發(fā)生脆性斷裂裂紋，當裂紋深度導致膨脹節(jié)承壓厚度減薄、最終不足以承受內(nèi)壓和溫差應力的作用時，膨脹節(jié)外部產(chǎn)生撕裂。

圖3 膨脹節(jié)厚度方向裂紋

圖4 膨脹節(jié)完全開裂后斷口

3.2 硬度及厚度檢測

對開裂膨脹節(jié)用硬度計和超聲波測厚儀進行硬度和厚度的測量，取樣位置見圖5，超聲波厚度測量結果見表5，厚度方向不同位置的洛氏硬度值見表6。

圖5 取樣位置示意

表5 取樣位置測厚數(shù)據(jù)(mm)

表6 厚度方向不同位置的硬度值(HBW)

根據(jù)厚度檢測結果可知，膨脹節(jié)波峰處減薄最為嚴重，由25mm厚減至20.48mm，減薄量大。而從硬度檢測結果看，膨脹節(jié)波峰處硬度與鋼板變形前有顯著增加。對比厚度及硬度檢測數(shù)據(jù)與原鋼板的數(shù)據(jù)可知，鋼板在經(jīng)過冷加工成型后發(fā)生了冷作硬化現(xiàn)象[1]。

固溶態(tài)不銹鋼的奧氏體組織是亞穩(wěn)定的，由于膨脹節(jié)是通過冷加工成型的，在冷變形時會造成馬氏體相變[8]。波峰處的變形最大，所以硬度最高，代表產(chǎn)生的馬氏體也最多。

此外，失效部位測量出來的硬度值遠超濕硫化氫環(huán)境中允許使用的奧氏體不銹鋼的臨界硬度值HRC22，這使得膨脹節(jié)已無法抵御硫化氫的應力腐蝕[2]。

3.3 磁性檢測

膨脹節(jié)制造材質06Cr18Ni11Ti是奧氏體不銹鋼，單一奧氏體組織不會呈現(xiàn)磁性檢測開裂膨脹節(jié)，且開裂的膨脹節(jié)已經(jīng)具有很強的磁性，發(fā)現(xiàn)波峰位置磁性最強，靠近波峰和波谷區(qū)域磁性偏強，直邊段部位磁性最弱。磁性強弱分布見圖5。

圖5 磁性強弱分布圖

失效膨脹節(jié)帶有磁性是因為在膨脹節(jié)成型過程中，加工硬化后，單一奧氏體組織產(chǎn)生形變馬氏體組織和鐵素體組織，馬氏體組織呈現(xiàn)強磁性[3]，以及不同區(qū)域變形量因大小不等而產(chǎn)生了不同數(shù)量的形變馬氏體組織，于是宏觀上表現(xiàn)為失效膨脹節(jié)在各個區(qū)域磁性強弱分布。

3.4 力學拉伸試驗

對開裂膨脹節(jié)取樣后進行拉伸試驗，拉伸試驗結果見表7。

表7 拉伸試驗結果

對比成型前鋼板的力學檢測數(shù)據(jù)與成型后數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)成型后的膨脹節(jié)金屬抗拉強度和屈服強度都有很大幅度的增加，伸長率卻有較大幅度的降低，再次說明膨脹節(jié)在成型后強度增強，而韌性下降，符合膨脹節(jié)發(fā)生了冷作硬化的推斷。

3.5 金相檢驗

將斷裂膨脹節(jié)的裂紋部分(見圖6)和母材部分(見圖7)都取樣進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)斷裂部位與母材部位的組織均為奧氏體+馬氏體[4]，直觀證明奧氏體不銹鋼已經(jīng)由于冷作硬化的作用向馬氏體轉變。裂紋呈現(xiàn)出以臺階狀彎曲延伸，與氫致開裂(HIC)導致的裂紋形狀高度相似[5]。

圖6 厚度方向裂紋區(qū)域(200×)

圖7 母材區(qū)域(500×)

3.6 斷口掃描電鏡分析

對斷口處進行兩次掃描電鏡觀察，一次是對斷口處進行超聲波清洗后的掃描電鏡觀察；另一次為進行酸洗后徹底清除表面腐蝕產(chǎn)物和氧化膜的觀察。

通過兩次掃描電鏡觀察可以看出，圖8中近內(nèi)表面部位斷口在電鏡掃描下，清晰地顯示出裂紋大部分屬于穿晶裂紋，且表面覆蓋了一層很厚的腐蝕產(chǎn)物。經(jīng)過酸洗后，可見明顯河流狀花樣，除撕裂棱線外，其棱脊的端部還存在放射形的細線，斷口的準解理特征明顯(見圖9)。

圖8 近內(nèi)表面部分(400×)

從斷口的電鏡分析可知，準解理的穿晶斷裂通常表現(xiàn)為脆性斷裂，而濕硫化氫應力腐蝕往往是導致脆性斷裂的主要因素[5]。

圖9 酸洗后近內(nèi)表面部分(1000×)

3.7 表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析

對試樣的另一半進行斷口腐蝕產(chǎn)物化學成分的能譜分析(EDS)，結果見表8。

表8 腐蝕產(chǎn)物中各元素比例

由斷口表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析可知，斷裂處硫含量達到了13.56%，已經(jīng)嚴重超標，此外，并未檢測到Cl元素的存在，排除了氯離子的影響，因此，可以明確判斷此次膨脹節(jié)開裂不是常見的氯離子晶間腐蝕開裂。

3.8 膨脹節(jié)失效分析總結

通過對比一系列力學檢驗結果與膨脹節(jié)制造前鋼板相關數(shù)據(jù)，證明了此膨脹節(jié)鋼板在制造前各項性能符合標準要求，但是在制造冷成型后發(fā)生了冷作硬化。金相檢驗證明金屬組織發(fā)生了奧氏體向馬氏體的轉變，而轉變后未進行任何熱處理，導致硬度升高，降低了材料抵抗應力腐蝕的能力。

膨脹節(jié)是用于補償換熱器管程和殼程不同變形量的柔性原件，會承受筒體受熱伸長的溫差應力和制造變形后的殘余應力，受力較為復雜，所以極易發(fā)生應力腐蝕。

在設備運行時，殼側介質含有H2S、CO2、CO等酸性介質，在設備停運時，殼側介質溫度降低，冷凝液集聚，造成腐蝕介質濃度升高。電鏡掃描分析裂紋區(qū)到擴展區(qū)呈現(xiàn)出準解理形態(tài)，表現(xiàn)為脆性斷裂。而能譜分析充分證明了斷裂與有害元素硫密切相關。

綜合以上因素可知，膨脹節(jié)開裂的原因主要為奧氏體不銹鋼在冷軋成型后未進行固溶和退火處理，從而使鋼材產(chǎn)生了大量的形變馬氏體，出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象，鋼材的硬度、強度、脆性升高，韌性、塑性降低，從而對硫化氫應力腐蝕十分敏感，而此膨脹節(jié)剛好應用于殼側為濕硫化氫介質的設備上，在低溫下停車導致腐蝕介質聚集，最終形成硫化氫應力腐蝕，其機理是濕硫化氫引起的氫致開裂或應力導向氫致開裂，在設備投用升溫過程中，當裂紋擴展到某一臨界尺寸時，便發(fā)生了低應力脆斷[6-8]。

4 結 語

對于類似設備應盡量保持長周期運行，減少開停車次數(shù)，尤其是冬季應盡量不要停車檢修。在設備停用后，應及時將殼側冷凝液進行排放，防止過多的有害介質集聚。如不能排放，則采取措施確保膨脹節(jié)內(nèi)的介質始終處于露點溫度之上，或者停車時充氮氣保護，這種保護措施對于應用在北方寒冷氣候的設備特別重要。

需嚴格控制換熱器殼程有害介質H2S的濃度，從介質環(huán)境上消除濕硫化氫環(huán)境產(chǎn)生的可能。

在設計時，應充分考慮膨脹節(jié)金屬材料組織的變化，特別是奧氏體不銹鋼，應對變形后的熱處理提出明確要求。膨脹節(jié)冷加工成型之后必須進行固溶化處理和退火處理，以消除形變馬氏體，降低材料硬度。

膨脹節(jié)材料應選用超低碳奧氏體不銹鋼，以提高鋼材抗應力腐蝕能力。