王朝平

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137）

奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕和腐蝕疲勞開裂是煉化裝置常見的失效形式［1］，常在鹵素離子環(huán)境中，尤其是Cl-與外界應(yīng)力耦合作用的環(huán)境下產(chǎn)生，且不易被察覺，會(huì)對(duì)企業(yè)的正常生產(chǎn)帶來較為嚴(yán)重的危害和損失［2-3］。

某煉油企業(yè)加氫裂化裝置一臺(tái)反應(yīng)產(chǎn)物與低分油換熱器，為雙殼程U型高壓換熱器，管箱為15CrMo+堆焊347，殼程為Q345R，管板為鍛件15CrMo+堆焊347，管束材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti。該換熱器管程進(jìn)口溫度244℃，出口溫度227℃；管程進(jìn)口壓力16.2 MPa，出口壓力為16.1 MPa。殼程進(jìn)口溫度133℃，出口溫度210℃；殼程進(jìn)口壓力2.5 MPa，出口壓力2.4 MPa。管程介質(zhì)為加氫裂化反應(yīng)產(chǎn)物，殼程介質(zhì)為低分油。

1 換熱器腐蝕情況

該換熱器服役13 a后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏，拆解后觀察換熱器發(fā)現(xiàn)，換熱管的管束中有2根外側(cè)換熱管已經(jīng)斷裂、脫出。管束上部基本完好，下部有部分白色偏黃的鹽垢，近管板處管子外積垢多，垢層剝除后，垢層下管子外觀良好。換熱器管束的腐蝕形貌見圖1，換熱器的工藝流程見圖2。

圖1 換熱管管束集合

圖2 失效換熱器的工藝流程示意

2 換熱管檢測分析

2.1 斷口宏觀分析

從換熱管斷裂位置進(jìn)行觀察，A和B兩根換熱管斷裂位置均位于管板附近（見圖3）。換熱管A斷裂處位于管板低壓側(cè)距管板約20 mm處，換熱管B斷裂處位于管板低壓側(cè)距管板約60 mm處。

圖3 換熱管斷裂位置

該換熱器的管束為U型管，觀察發(fā)生斷裂的換熱管A和B斷口部位，分別標(biāo)記為斷口a和斷口b，見圖4。斷口a和b均無明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂；斷口a與換熱管軸向大致垂直，斷口b與換熱管軸向大致呈45°角，說明該換熱管在安裝過程中存在扭矩。同時(shí)，在換熱管B內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)存在點(diǎn)蝕情況，點(diǎn)蝕坑呈碗狀［4］，點(diǎn)蝕坑底部存在微裂紋。

圖4 宏觀斷口形貌

2.2 材料化學(xué)成分分析

對(duì)換熱管取樣進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。將檢測值與GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》［5］中要求值進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)失效換熱管材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 換熱管化學(xué)成分分析 w，%

2.3 斷口掃描電鏡觀察及能譜分析

通過掃描電鏡觀察換熱管A斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口a表面存在貝殼紋的痕跡，較平整區(qū)域疑似疲勞起裂區(qū)，裂紋源位于內(nèi)壁（見圖5）；斷口a截面在掃描電鏡下可觀察到斷面上存在放射紋，通過回溯放射紋的交匯點(diǎn)，可判斷出起裂點(diǎn)位于換熱管內(nèi)壁（見圖6）。通過高倍鏡對(duì)擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行觀察，可觀察到明顯的疲勞輝紋，因此可以認(rèn)定該換熱管斷裂情況為疲勞斷裂。

圖5 換熱管A起裂區(qū)

圖6 斷口a表面形貌

換熱管B斷口及點(diǎn)蝕坑底部的微裂紋形貌見圖7和圖8。由圖7可以看出，斷口存在較為清晰的起裂源與貝殼紋，因此推測該斷口為疲勞斷口。由圖8可以看出，斷口表面存在多處起裂點(diǎn)，可劃分出較為明顯的疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)；將疲勞擴(kuò)展區(qū)放大至高倍鏡進(jìn)行觀察，可觀察到疲勞輝紋。通過高倍鏡對(duì)瞬斷區(qū)進(jìn)行觀察，瞬斷區(qū)的大部分形貌已遭到破壞，但是仍然可以觀察到一部分韌窩，可判定該換熱管是由于疲勞發(fā)生斷裂的。

圖7 換熱管B起裂源

圖8 斷口b表面形貌

將換熱管B內(nèi)壁點(diǎn)蝕坑底部的微裂紋通過機(jī)械手段打開，裂紋表面形貌見圖9。有研究表明，點(diǎn)蝕在演化過程中可逐步過渡產(chǎn)生疲勞裂紋［6］。由圖9可以看出，點(diǎn)蝕坑底部微裂紋表面具有典型的河流狀脆性解理開裂特征，屬于脆性開裂裂紋；河流狀花樣從內(nèi)壁擴(kuò)展至外壁，證明裂紋從管內(nèi)壁起裂。

圖9 微裂紋表面形貌

由于兩處斷口均從內(nèi)壁起裂，考慮到管內(nèi)介質(zhì)對(duì)換熱管材料的影響，因此對(duì)換熱管B斷口處進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見表2。由表2可知，斷口b表面存在一定量的Cl元素；奧氏體不銹鋼材料對(duì)于Cl元素較為敏感，可能產(chǎn)生腐蝕疲勞開裂等問題。

表2 斷口b表面能譜分析結(jié)果 w，%

2.4 金相分析

為進(jìn)一步分析換熱管內(nèi)壁情況，對(duì)換熱管A未開裂部位取樣進(jìn)行金相分析。試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后再通過草酸溶液電解侵蝕處理，進(jìn)行金相組織分析觀察，結(jié)果見圖10。

圖10 換熱管取樣部位及金相

從圖10金相組織照片中可以觀察到，換熱管材料的金相組織為奧氏體組織，換熱管內(nèi)壁存在大量裂紋；裂紋尖端圓鈍，不存在樹枝狀穿晶開裂特征，可以排除應(yīng)力腐蝕開裂的可能。結(jié)合換熱管B內(nèi)壁處出現(xiàn)的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，可推斷裂紋符合奧氏體不銹鋼腐蝕疲勞開裂的特征。

3 分析與討論

腐蝕疲勞是材料在交變載荷引起的循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下造成的一種失效形式。單一的腐蝕或是交變載荷作用未必會(huì)對(duì)設(shè)備造成顯著的失效風(fēng)險(xiǎn)，材料對(duì)于常規(guī)的疲勞也都會(huì)存在一定的疲勞極限。而在二者共同作用下，即使腐蝕介質(zhì)濃度不高或是循環(huán)應(yīng)力不大，也可在材料中快速形成穿透性裂紋［7］。

對(duì)發(fā)生斷裂的換熱管A和B進(jìn)行分析可以確定，內(nèi)壁的點(diǎn)蝕和腐蝕疲勞開裂是此次失效的直接原因。氯離子富集導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)壁06Cr18Ni11Ti材料表面鈍化膜遭到破壞造成點(diǎn)蝕，并以點(diǎn)蝕坑底部作為起裂源在交變載荷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展，最終過載導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生斷裂。

3.1 腐蝕介質(zhì)

失效的換熱管材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti，具有優(yōu)異的耐高溫性能和耐晶間腐蝕性能，是加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)高壓換熱器中常用的材料，而Cl等鹵族元素可破壞不銹鋼表面鈍化膜，形成點(diǎn)蝕坑，同時(shí)所形成的點(diǎn)蝕坑底部可作為陽極，與具有鈍化膜的金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，使得表面鈍化膜持續(xù)遭到破壞，材料不斷被侵蝕［8］。若材料存在循環(huán)應(yīng)力，則在點(diǎn)蝕坑底部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得組織發(fā)生塑性流動(dòng)，萌生微裂紋。而材料發(fā)生塑性滑移的區(qū)域，其金屬活性得到增強(qiáng)，金屬溶解加速，導(dǎo)致腐蝕進(jìn)一步加劇。在循環(huán)應(yīng)力的繼續(xù)作用下，微裂紋最終擴(kuò)展形成腐蝕疲勞裂紋［9］，其形成和擴(kuò)展過程見圖11。

圖11 腐蝕疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展過程

通過斷口能譜分析及換熱管內(nèi)壁金相觀察可以確定，失效換熱管的表面存在一定量的腐蝕介質(zhì)，正是介質(zhì)中的氯元素，導(dǎo)致?lián)Q熱管的內(nèi)壁產(chǎn)生了大量尖端圓鈍的裂紋。由于參與加氫裂化反應(yīng)的原料油及循環(huán)氫中可能含有微量的無機(jī)氯化物［10］，而該失效換熱器位于加氫裂化反應(yīng)系統(tǒng)的下游，管內(nèi)介質(zhì)為200℃左右的加氫反應(yīng)產(chǎn)物，在該換熱器管程出口處正好為氯化銨鹽結(jié)晶析出溫度，因此換熱管內(nèi)壁極有可能受Cl離子侵蝕產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑。

3.2 交變載荷

失效的換熱器屬于典型的高低壓差換熱器，管殼程的兩側(cè)壓差較大，極易因壓差產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。管束為U型管，管程介質(zhì)為加氫裝置的反應(yīng)產(chǎn)物。雖然介質(zhì)壓力較高，但流量一直比較穩(wěn)定。殼程流體為低分油介質(zhì)，流體從換熱器下部垂直進(jìn)入殼程，沖擊管束的換熱管，因此管束受到一個(gè)垂直管束軸向的載荷沖擊，從發(fā)生斷裂的兩根換熱管最外側(cè)觀察到，換熱管受沖擊載荷作用比較明顯。查閱該臺(tái)換熱器殼程側(cè)的工藝流程圖和近一年的流量操作趨勢曲線，殼程側(cè)設(shè)有一組流體進(jìn)料的溫控調(diào)節(jié)副線，受上游溫控的影響，進(jìn)入殼程的流體流量不太穩(wěn)定，造成了殼程流體誘導(dǎo)受到循環(huán)載荷沖擊，使得管束在近管板處（進(jìn)料處）受到較大的彎矩。此外，兩處斷裂部位均位于換熱管近管板處內(nèi)側(cè)邊緣，而近管板處換熱管相對(duì)運(yùn)動(dòng)受限，因此即使管束末端所受交變載荷極小，在近管板處的管截面上也將產(chǎn)生明顯的循環(huán)應(yīng)力。

綜上所述，該換熱器管束由于受到殼程流體垂直方向上的沖擊載荷，加之管內(nèi)介質(zhì)存在含有Cl的腐蝕性介質(zhì)，導(dǎo)致管內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)蝕，在循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生腐蝕疲勞，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

4 結(jié)論及建議

換熱器的管束斷裂失效是由于點(diǎn)蝕和腐蝕疲勞導(dǎo)致的，造成斷裂的主要原因是管程介質(zhì)中有Cl等腐蝕性元素，最終導(dǎo)致點(diǎn)蝕的產(chǎn)生，且管程受殼程介質(zhì)沖擊載荷影響，在近管板處產(chǎn)生一定的循環(huán)應(yīng)力促進(jìn)了腐蝕坑處疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。為了減緩換熱器的腐蝕失效，建議采取以下措施：

（1）在殼程的換熱管進(jìn)料區(qū)域設(shè)置防沖擋板，避免流體對(duì)換熱管的直接沖擊，減少或消除近管板處換熱管受到的循環(huán)應(yīng)力。

（2）加強(qiáng)加氫裂化裝置的進(jìn)料控制管理，減少加氫裂化原料和加氫所用氫氣中的Cl含量。

（3）強(qiáng)化換熱器尤其是殼程側(cè)的溫度控制，盡可能保持操作工藝流量的穩(wěn)定性。