不锈钢换热管U形部位开裂分析

孙 涛 王齐红 王海平 苏婷婷

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 化学工业设备质量监督检验中心；2.石油天然气兰州工程质量监督站)

不锈钢换热管U形部位开裂分析

孙 涛*1王齐红2王海平1苏婷婷1

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 化学工业设备质量监督检验中心；2.石油天然气兰州工程质量监督站)

针对某石化厂换热器运行较短时间后多根换热管U形部位出现环向开裂的现象，在开裂换热管开裂部位与远离开裂部位分别取样，通过宏观检查、光谱分析、显微硬度分析、金相分析、断口扫描电镜形貌和能谱分析，得出该换热管的开裂原因为：换热管在含氢环境下，产生大量氢致马氏体，导致产生氢致裂纹；裂纹在扩展的过程中，S、Cl-及非金属夹杂物的存在对开裂起到了一定的促进作用，最终发生开裂。

换热管 U形部位 氢致开裂 应力腐蚀开裂

某石化厂的柴油加氢精制装置高压换热器于2014年9月投用，运行仅半年后，换热器出现严重泄漏，检修发现多根换热管U形部位出现环向开裂，直接影响生产，更换管束具有较高的成本。笔者在开裂换热管的开裂部位和远离开裂部位分别取样进行分析，探讨了该换热管的失效原因，同时为避免此类失效发生提出了建议。

1 柴油加氢精制装置换热器运行工况

表1 为柴油加氢精制装置换热器的主要技术参数，该换热器管束的材料为0Cr18Ni10Ti，规格为φ20mm×2.5mm。

表1 换热器主要技术参数

2 试验分析

2.1宏观检查

现场观察可知，多根换热管U形部位发生环向开裂，换热管U形部位存在一条开口宽度约为1.5mm的环向裂纹，断口平齐，无明显塑性变形。换热管外壁呈灰黑色，无腐蚀坑，无腐蚀产物(图1a)；内壁光滑，无腐蚀产物(图1b)。在换热管远离开裂区和开裂区分别取金相分析样品和SEM形貌及EDS分析样品。将SEM形貌及EDS分析样品打断，对比分析打断的新鲜断口与开裂区的形貌和成分。

2.2光谱分析

开裂换热管光谱分析结果和标准要求见表2，可以看出，Ti元素含量略低于GB 13296-2007的要求，其余元素含量均符合要求。

表2 开裂换热管光谱分析及标准结果 wt%

2.3显微硬度分析

采用美国Wilson显微硬度计对金相样品径向截面的近外壁、1/2厚度以及近内壁区进行显微硬度分析，结果见3，可见换热管近内壁区的硬度明显高于近外壁区和1/2厚度区。

表3 换热管的显微硬度分析结果(HV)

2.4金相分析

远离开裂区的非金属夹渣物形貌如图2所示，根据GB/T 10561-2005，夹杂物级别分别为A类1.0级、B类1.0级、C类0级、D类2.5级、DS类0级。

图2 非金属夹杂物形貌 ×100

图3为远离开裂区的径向截面组织照片，近外壁区与1/2厚度区组织相近，由灰色组织与黑色组织组成，且内壁组织较外壁细小，如图3a所示。近外壁区与1/2厚度区中的灰色组织为奥氏体，黑色组织为马氏体，即奥氏体晶粒内部产生大量马氏体，马氏体形貌不太明显，如图3b、c所示。由于近内壁区组织细小，因此采用扫描电镜对组织进行SEM形貌分析。同时，为进行对比分析，近外壁区也进行了SEM形貌分析，如图4所示，可见近内壁区组织以马氏体为主，含有奥氏体+铁素体，近外壁区组织以奥氏体为主，同时含有马氏体+铁素体。

图3 远离开裂区的径向截面组织

图4 远离开裂区径向截面组织SEM形貌

图5为远离开裂区的轴向截面组织照片，基于径向截面的金相分析可知，轴向截面组织为奥氏体+马氏体+铁素体。马氏体呈严重的带状分布(图5a)。图5b中马氏体形貌特征明显，为板条状。

图5 远离开裂区轴向截面金相组织

图6为近内壁区微裂纹形貌，由图6a可知，径向截面存在由内壁向外壁沿厚度方向穿晶和沿晶扩展的微裂纹。裂纹光滑平直，局部存在分叉现象，为典型的氢致开裂特征，并伴有应力腐蚀开裂特征。轴向截面的内壁亚表面层存在大量微裂纹，如图6b所示。

图6 远离开裂区微裂纹形貌 ×400

2.5SEM形貌以及EDS分析

2.5.1SEM形貌分析

采用日本电子JSM-6510扫描电镜分别对开裂区、过渡区及打断区进行微观分析，如图7所示。图7a、b为开裂区的断裂形貌，断口呈冰糖状，为沿晶破坏，表面存在大量腐蚀产物；图7c、d为开裂区与打断区的过渡区(裂纹尖端)断裂形貌，呈准解理断裂特点；图7e、f为打断区的断裂形貌，呈现韧窝花样，存在爪状的撕裂棱以及二次裂纹，为常见氢致开裂的特点[1]；由图7g可知换热管U形部位内壁存在多处开裂，并沿厚度方向扩展；图7h为内壁裂纹深处形貌, 呈准解理断裂特征, 且存在二次裂纹。根据上述断口扫描电镜分析结果，可以确定换热管开裂是以氢致开裂为主的损伤机理。

图7 断口典型区域的SEM形貌照片

2.5.2EDS分析

表4给出了开裂区腐蚀产物和打断区的能谱分析结果，分析可知，开裂区腐蚀产物中Cl、O和S含量很高，表明产物中含有大量的氧化物和硫化物；打断断口的O、 S和Cl含量较高，表明介质中大量的O、S、Cl已扩散到换热管内部。

表4 开裂区腐蚀产物和打断区的EDS分析结果 wt%

3 讨论

根据以上检验结果分析可知，不锈钢换热管处于柴油、水、H2S、NH4Cl和过剩的氢混合介质环境下，这种浓缩氢环境，导致换热管组织发生劣化，产生了大量呈带状分布的氢致马氏体，进而降低了换热管的综合性能，并于氢致马氏体处萌生微裂纹，裂纹在扩展的过程中，介质中的S、Cl-扩散到换热管内部，引起的应力腐蚀对开裂起到了一定的促进作用；同时，材料中大量的非金属夹杂物引起的氢致开裂，也对开裂起促进作用，最终发生开裂。

4 结束语

裂纹起源于内壁和其亚表面，断口呈现沿晶开裂逐渐过渡到准解理断裂特征。 换热管开裂是以氢致开裂为主的损伤机理，即换热管在含氢环境下，产生大量氢致马氏体，导致产生氢致裂纹；裂纹在扩展的过程中，S、Cl-及非金属夹杂物对开裂起到了一定的促进作用，最终发生开裂。建议选用稳定性较高的奥氏体不锈钢，如316L，换热管在冷弯处理后，U形部位要进行充分的固溶热处理。

[1] 张栋，钟培道，陶春虎，等. 失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004:189～206.

[2] 赵志农. 腐蚀失效分析案例[M].北京：化学工业出版社，2009：140～152.

[3] 任凌波，任晓蕾. 压力容器腐蚀与控制[M].北京：化学工业出版社，2003：255～256.

[4] 胡丽莉，于杰. 不锈钢换热管应力腐蚀实例及分析[J]. 中国化工装备, 2007，9(4):35～37.

*孙 涛，男，1981年3月生，工程师。甘肃省兰州市，730060。

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0254-6094(2016)03-0416-05

2016-03-11，

2016-03-17)