高压换热器爆管的原因分析

谷 虹，柴庆友，马 卓

（中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 113006）

我公司在2007年为某加氢项目设计一台“低分油-补充精制反应产物换热器”位号E-1103，该换热器为高低压螺纹锁紧环U形管式换热器，设备直径为φ800，管束公称长度为5 000 mm，换热管规格为φ19×2。管程设计压力为17.59 MPa，设计温度为392 ℃，壳程设计压力为0.98 MPa，设计温度为330 ℃。管程介质为反应产物、氢气、硫化氢，壳程介质为低分油、氢气、硫化氢。根据纳尔逊曲线[1]管箱及管板选用 2.25Cr-1Mo锻件堆焊E309L+E347，换热管采用0Cr18Ni10Ti。

该台换热器在加氢装置正常停产期间热氢气即将结束时，突然发生壳程压力急剧升高现象。对设备进行拆卸检查，发现是由于换热管爆裂所致，有的换热管直管段与弯管段的过渡区除了有肉眼可见的裂纹外，还有许多“芝麻口”裂纹，少部分直管段上有裂纹，同时管子的外表面还有已经腐蚀的小麻坑。将爆管和有裂纹的弯管取样委托第三方对样品进行化学成分、力学性能、腐蚀产物和金相鉴定，分析裂纹的形成原因。1#管为爆管，2#和3#为弯管部位有裂纹的管。

1 宏观检查

1.1 1#样品

1#样品表面覆盖红棕色的腐蚀产物，裂纹沿纵向开裂，壁厚未见减薄，爆管段最大开口度为38mm，在纵向裂纹上有明显的磨削痕迹，并且管子爆管开裂的位置是在磨削痕迹带上，裂纹两侧有多条横向的小裂纹。裂开的断口锈蚀比较严重，断口上未见明显变形，属于脆性断裂。

1.2 2#和3#样品

2#和3#样品均取弯管段变形的过渡部位，裂纹均产生在外弧侧，表面有多条“芝麻口”裂纹，3#样品表面有锈蚀和麻坑。

2 化学成分分析

分别取 1#和 2#样品作化学成分分析，分析结果见表1。

3 力学性能测试结果

在直管段部位制备力学性能试样，测得的结果见表2。

表1 1#和2#样品化学成分[2,3]Table 1 The chemical composition of sample 1#,2# %

表2 换热管力学性能[2]Table 2 Mechanical properties of tube

4 断口形貌及腐蚀产物成分分析

将1#样品和2#样品的断口用扫描电镜分析，结果如下。

4.1 1#样品（见图1）[4]

断口表面覆盖较厚腐蚀产物，无法观察到仔细的断裂形貌，经能谱分析，腐蚀产物中含有O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Cl等化学元素，经半定量分析结果可以看到Na、Mg、Al、Ca来自自来水的可能性较大，可能是设备拆卸后遇到水的原因，S、Cl可能来自壳程介质中分解出的腐蚀性物质，其它Ti、Cr、Mn、Fe、Ni则是管子的基本材料组成。

图1 1#样品断口形貌Fig.1 Rupture shape of sample 1#

4.2 2#样品（见图2）[4]

(a)图是断口的低倍形貌，从图上可以看到断口没有明显变形，说明是脆性断裂。

(b)图是断口扩展区的形貌，断口上覆盖较多的腐蚀产物。

(c)图是断口区域上腐蚀产物较少的区域，断口是解理断口，说明管束的断裂是脆性断裂。

(d)图是压开的断口形貌，断口全部是韧窝形貌，说明材料本身的韧性较好。

图2 2#样品断口形貌Fig.2 Rupture shape of sample 2#

5 金相检验

图3 1#样品显微组织和裂纹形貌Fig.3 Microscopic structure and crack shape of sample 1#

图4 1#样品基体显微组织形貌Fig.4 The microstructure morphology of sample 1#

1#样品取自表面有磨痕的区域，磨取横截面的金相，腐蚀前观察，表面有腐蚀坑和集中分布的裂纹，裂纹呈树枝状分布。腐蚀后显微组织和裂纹的形貌见图 3。从图上可以看到磨损区的表层有一层形变马氏体，这个区域的长度恰好在磨损的宽度范围内，形变马氏体层较深，裂纹均从形变马氏体层产生，由形变层向基体内部扩展，裂纹呈分叉式、穿晶扩展，这种裂纹形态符合应力腐蚀裂纹特征。1#基体的显微组织为奥氏体组织，表层为形变诱发马氏体，基体有析出的碳化物（见图4）。

2#样品的表面均在直段和弧形的过渡段，表面有多条裂纹，并且裂纹呈分叉分布，侵蚀后裂纹均为沿穿晶裂纹（见图5），从裂纹形态扩展可以判断裂纹属于应力腐蚀裂纹。

图5 2#样品显微组织和裂纹形貌Fig.5 The microstructure morphology and crack shape of sample 2#

6 结论及原因分析

1#和 2#样品的化学成分和力学性能符合《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》GB13296-2007的规定。1#和2#样品的裂纹均属于应力腐蚀裂纹，但这两种裂纹形成的原因有差异。1#样品的裂纹是从磨损区部位产生，沿磨损条带产生无数条裂纹。磨损表层为形变诱发马氏体组织，这种组织对介质敏感，易产生腐蚀。而断口上腐蚀产物主要是硫和氢引起应力腐蚀开裂，这些物质主要来源于壳程的物料分解产物。因此，当这个区域的裂纹扩展到一定深度后，承受不了内压，沿磨损条带产生爆裂，形成纵向爆裂裂纹。2#样品的裂纹是沿环向由表面向内部扩展，裂纹的部位主要是在直管段和弧形段的过渡段。这可能与管子变形后，变形部位的应力没有充分消除有关。产生应力腐蚀要具备两个基本条件：1）引起应力腐蚀的拉应力2）特定的腐蚀环境。因此，2#样品的裂纹形成与弯管成型后应力没有充分消除有关。

7 建 议

（1）原料油品的化学成分要准确，定期对原料油样品进行化学分析，以便在原料油性质与设计出入较大时及早制定应对措施。

（2）对此类工艺设计在设备材质选择时，应尽量提高等级，如换热管采用 316L或更高级的Incoloy625材料，以提升抗腐蚀能力[5]。

（3）设备制造过程中，需严格执行制造工艺，严格控制固溶热处理的温度，完善和认真执行热处理工艺，必要时关键工艺要高于相关技术规范的要求。注意保护设备在制造过程中避免碰伤、划伤。

（4）设备使用厂家应适当加大监理投入，进一步加强设备现场监造力度。

［1］SH/T3075-2009，石油化工钢制压力容器材料选用规范[S].

［2］GB13296-2007,锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管[S].

［3］GB151-1999,管壳式换热器[S].

［4］陈国理，吴泽炜.压力容器及化工设备[M].广州：华南理工大学出版社，1990.

［5］丁伯民，黄正林.高压容器[M].北京:化学工业出版社，2003.