不锈钢换热器的空蚀破坏

刘步宇

(中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司,北京 102500)

不锈钢换热器的空蚀破坏

刘步宇

(中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司,北京 102500)

苯酚装置精制塔第二冷凝器投用后,管束材质先后使用过多种材料,均发生泄漏。对失效不锈钢换热管进行化学成分分析和金相分析显示材料的元素含量和组织均正常,从宏观形貌和电镜观察发现管束内表面流体一侧出现明显的海绵蜂窝孔面,此形貌是空蚀的典型特征。通过分析换热管内物料操作压力与温度发现物料存在汽化现象,沸腾产生的气泡使得管束局部过热区液体流动加剧,形成浪涌加速对管壁的冲刷,更为严重的是气泡形成的微射流造成强大局部冲击力,形成微观空泡腐蚀导致材料失效。针对发生空蚀的影响因素,通过调整工艺操作压力与温度,防止管程液体局部沸腾,并选用 C rMnN系奥氏体不锈钢或双相钢内衬钛合金管,消除了不锈钢换热器的空蚀破坏。

不锈钢 换热器 空蚀 失效

中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司苯酚装置精制塔第二冷凝器是螺旋折流板固定管板式换热器,换热管与管板连接形式为贴胀和强度焊。出于工艺节能考虑,采用的管、壳程均为物料介质进行互换热,利用苯酚精制塔 (PT-15)塔顶蒸汽作为苯酚精制塔第二冷凝器 (PE-75)的热源,加热管程物料为异丙苯和水,冷却壳程介质为苯酚。管程进出口温度控制在 49～101℃。壳程进出口温度控制在 149～140℃。管程进出口压力控制在0.4 MPa,壳程进出口压力控制在 0.06 MPa。设备于 2003年 10月投用,管束材质为 304钢。设备在投入使用 2 a后,开始发生管束泄漏。材质更换为316L后仍然发生泄漏。2009年 8月利用检修期间对设备整体更新,材质为 S31803双相钢。2010年对设备打压查漏,堵管 63根,泄漏情况和以前的相似,主要集中在气相进料的上部。

通过对失效设备进行宏观检查、化学成分分析、金相分析、电镜观察和能谱分析等措施后,分析出其产生破坏的原因,并对使用工况下如何避免提出解决对策。

1 检验分析

1.1 宏观检查

经过检查在冷凝器管束正对气体入口处发现了大量的肉眼可见腐蚀穿孔,见图 1。图 1中红框处为穿孔集中区域。

取泄漏管束进行失效分析,将泄漏管沿轴中心线剖开后观察,发现管内壁存在明显分界线:在分界线以下只发生轻微的均匀腐蚀;分界线以上腐蚀严重且呈现典型的冲刷腐蚀痕迹,发现大量马蹄形冲蚀坑,金属残留部分形成岛屿,严重冲蚀区出现河流状形貌,最严重的地方甚至出现穿孔。管外表面的同一半圆侧出线了大小不一的漏点,从其剖面也可以看出,其泄漏是从内往外扩展的,在截面位置可以看到管一侧未泄漏位置也有明显的减薄。内表面的一侧呈现类似河水冲刷后的痕迹,出线许多沟槽和C形波纹致使管减薄,内表面形貌见图 2。

图 1 冷凝器正对气体入口处管束腐蚀Fig.1 Gas inlet erosion image of in the condenser

图 2 内表面形貌Fig.2 The internal erosion image of the corroded pipe

1.2 化学成分分析

对样品进行化学成分分析的结果见表 1。

从表 1中可以看出,除了 C元素含量超标外,其他元素含量均在 AST M/A790标准范围内。并且,管材在发生严重腐蚀穿孔区段与无腐蚀穿孔区段的组织并无明显区别,且二者均为正常的双相不锈钢组织。

表 1 化学成分分析结果Table 1 The element of the corroded pipe w,%

1.3 金相分析

样品的金相组织形貌 (草酸电解浸蚀)见图 3。从图 3中可以观察到,样品的金相组织为铁素体和奥氏体两相组织,其相比例为 50:50,属正常双相钢组织,未见异常。根据现有数据,材料成分组织均正常,并非是导致材料失效的原因。

1.4 电镜观察

穿孔部位的微观形貌见图 4。从图 4中可以观察到,样品表面除了有大小不一的沟槽外,还分布着较多深浅不一的孔洞,即海绵状蜂窝孔面,并伴有沟槽形貌。

图 3 金相组织形貌 (200×与 400×)Fig.3 The metallurgical structure of the sample

图 4 蚀孔底部形貌及蚀孔边缘区域形貌Fig.4 The electron microscope images of the corroded pipe

1.5 能谱分析

蚀孔边缘能谱分析结果见表 2。

表 2 蚀孔边缘能谱分析结果Table 2 Energy spectrum analysis data of the corroded margin

由表 2可知,内表面除了基体元素 Cr,Ni,Mo和Mn等元素外,主要元素为 O元素,还含有微量的 S元素。

2 成因综合分析

2.1 分析结果讨论

化学成分分析和金相结果显示,材料的元素含量和组织均为正常的双相钢成分和组织,说明换热管束失效的主要原因非材料因素。

宏观形貌观察结果显示,每一根管其内部腐蚀情况在各区段存在差异。存在如下腐蚀规律:管穿孔发生在正对气体入口处;所有管束内壁均发生了非均匀腐蚀,无论是否泄漏均存在非均匀减薄;管束外壁除局部穿孔外其余均完好,保持金属光泽;管束内壁腐蚀呈现典型的冲刷腐蚀特征,且腐蚀存在明显的分界线;管束内壁腐蚀最严重的区域都集中在靠近壳程气体入口处的顶部,其底部只发生轻微的均匀腐蚀。距离该区域越远,顶部腐蚀程度越轻,说明腐蚀失效与介质的性态和温度相关。

从电镜观察的结果看,管束内表面流体一侧出现明显的海绵蜂窝孔面,说明失效与流体因素密切相关,其中海绵蜂窝孔面,是空蚀的典型形貌特征[1]。

2.2 空蚀的发生过程

空蚀是由作用到金属材料表面的应力脉冲引起的,而液体中的应力脉冲由空泡溃灭时产生的压力波或者高速射流引起。应力脉冲的变化幅度在几百到1000 MPa,这么高的应力脉冲很容易导致工业中使用的金属材料产生变形及损失,即不仅可以直接引起金属材料空蚀强度破坏,还可能引起金属材料的疲劳破坏。

沸腾产生的气泡或冲击顶部管壁而破裂,或在管壁顶部聚集长大,受压变形和切应力作用而破裂,或向未沸腾区移动,温度梯度逐渐降低并与未沸腾液体发生热交换而逐渐冷却,饱和蒸汽压降低,最终因气泡压力接近该点溶液静压而破裂并凝结成液体。在上述过程中,沸腾过程中液相向固相的转变使得液体向外膨胀,气泡消亡区则反之使周围液体迅速向气泡空间填充。上述过程的结果使得管束局部过热区液体流动加剧,形成浪涌加速对管壁的冲刷,而且会与管束内整体液体流动相互作用,形成湍流、层流,加剧冲刷。更为严重的是,气泡的消亡,使得气泡所在空间形成真空,周围的液体会以极大的速度冲向气泡中心,瞬间填充该空间。在该作用下,液体流向气泡中心的瞬间速度极大,形成微射流,所形成的局部冲击力能达上千大气压。如此大的冲击力,不仅破坏管束金属的表面膜,使露出的新鲜金属表面又与溶液反应 (溶液呈碱性,且含有 Cl和 S等有害元素,对带表面钝化膜的管束金属难以造成明显持续的腐蚀,但却能对来不及形成表面钝化膜的金属造成伤害),使加热管内壁受到浸蚀,而且还可能破坏表面膜下金属,使其发生局部塑性变形,甚至导致金属粒子脱落[2]。

2.3 失效成因分析

由于冷凝器壳程入口处高温蒸汽影响,在正对该区域管束内顶部液体因局部过热而沸腾。冷凝器的壳程进口温度控制在 149℃。该温度下的饱和蒸气压约为 0.465MPa,而管程进出口压力控制在 0.4 MPa,正好低于 149℃的饱和蒸气压,所以液体进入此部位会汽化,产生大量蒸气,形成气泡。气泡不断形成又破灭,就造成汽蚀。到 143℃以下,饱和蒸气压低于 0.4MPa[3],就不会汽化,形成气泡。

气泡的破裂频繁发生在管束顶部内壁,局部冲击力也频繁作用于该区域。最终形成了对管束顶部内壁的不均匀冲刷腐蚀,形成斑点、塑性变形的凹坑。一旦被冲刷腐蚀形成斑点或凹坑,则气泡更易在蚀坑内萌生、长大、聚集和爆炸,管内液体也更容易冲撞此处,因此腐蚀会被加剧,形成恶性循环,构成对材料的持续掏挖,使得斑点凹坑长大成冲蚀坑。如此持续,最终形成宏观的长期冲刷形成的河流状腐蚀形貌、以及因不断冲击而形成的粗糙多孔的海绵状金属残余物岛状突起。随着河流状腐蚀不断加深,最终出现穿孔泄漏。

与气体入口处的距离直接影响了管束液体的局部温度,进而影响其局部沸腾程度,因此,管束内壁腐蚀程度与其空间位置存在明显关系,距离气体入口越近,腐蚀越严重。同时,受压力梯度影响,气泡总是向上运动,进而在管束顶部内壁爆炸形成冲击,因此,管束失效总是发生在管束顶部内壁,且存在明显分界线。

综合以上分析,管束失效损坏主要集中在气相进料的上部的内表面,说明管束的破坏主要是空蚀。

表 3 空蚀的影响因素Table 3 Factors contributing to cavitation erosion

3 结论及 对策

3.1 结 论

沸腾产生气泡及气泡消亡而引起的微观空泡腐蚀是导致材料失效的重要因素。冷凝器管束的失效主要是由于空蚀破坏引起的,并伴有一定的冲刷影响。

3.2 对 策

(1)表面硬化。从耐蚀性角度考虑,奥氏体不锈钢是最好的,但其耐空蚀能力欠缺,所以为了提高其耐空蚀性能,可提高其表面硬度,即对表面进行硬化处理。

(2)选材。为提高耐空蚀性能,可选用 C rMnN系奥氏体不锈钢或更高强度和再钝化性能复合材料 (双相钢内衬钛合金管)[4]。

(3)工艺调节。通过调整工艺环境,防止管程液体局部沸腾。使管程进出口压力略高于 149℃的蒸汽饱和蒸汽压,使进料部位产生较少的蒸汽,防止空蚀发生。或者降低壳程气体温度、减低壳程气体流速提高管程液体流速、改变管程液体流向等。

(4)遵循 AST M/A790标准规定,提高材料表面光洁度,严格控制进货钢管的表面状态。

[1] 张承忠主编 .金属的腐蚀与防护[M].北京:冶金工业出版社,1985:113-119.

[2] 柳伟,郑玉贵,姚治铭,等 .金属材料的空蚀研究进展[J].中国腐蚀与防护学报,2001,21(14):250-255.

[3] 刘光启,马连湘,刘杰等 .化学化工物性数据手册[M].北京:化学工业出版社,2002:311-317.

[4] 骆素珍,敬和民,郑玉贵,等 .C rMnN双相不锈钢的空泡腐蚀行为研究[J].中国腐蚀与防护学报,2003,23(5):276-281.

Damage from Cavitation Corrosion of Sta inless Steel Heat Exchangers

L iu Buyu
(SINOPEC Beijing Yanshan Petrochem ical Co.,L td.,B eijing102500)

After the second condenser in phenol refining unit was commissioned,the condenser tubes leaked many time and were replaced with tubes of a number of differentmaterials.The chemical composition analysis of stainless steel tubes and metallographic analysis showed that the element contents and structures were normal.The macro-morphology and scanning electron microscope(SEM)analysis found sponge honeycomb holes in the internalwall of tubeswhere the liquid flowed,which was typical of cavitation corrosion.The study of operating pressure and temperature of flow media in heat exchange tubes demonstrated that there was vaporization of flow media and boiling bubbles accelerated liquid flow velocity in the local superheated areas,resulting in surge and erosion of tube walls.To make matterworse,the collapse of bubbles produced micro jets and strong local impingement force,which led to the material failure from micro-bubble erosion.The cavitation damage of stainless steel heat exchange tubes can be prevented by adjustment of operating pressure and temperature to prevent liquid in the tubes from boiling and selection of C rMnN austenitic stainless steel or duplex stainless steel lined with titanium.

stainless steel,heat exchanger,cavitation corrosion,failure

TE986

A

1007-015X(2011)06-0025-04

2011-05- 27;修改稿收到日期:2011-10-17。

刘步宇 (1969-),高级工程师,现在中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工三厂从事设备维护管理工作。E-mail:liubuyu259@sohu.com

(编辑 寇岱清 )