高低压加氢换热器管束腐蚀疲劳断裂分析及改进措施

王朝平

(中国石化上海高桥石油化工有限公司,上海200137)

奥氏体不锈钢的点腐蚀＋腐蚀疲劳开裂是炼化企业中一种常见的失效形式【1G2】,常在卤素离子环境,尤其是氯离子与外界应力耦合作用的环境下产生,且不易被察觉,一旦发生失效,会给企业的正常生产造成较为严重的危害和损失【3G4】.

某炼油企业加氢裂化装置中1台反应产物与低分油换热器服役13年后,发现内漏失效情况.拆解该换热器后发现,换热管的管束集合中,位于壳程低分油入口处的2根外侧换热管已经断裂、脱出,如图1所示.管束上部基本完好,下部有部分白色偏黄的盐垢,近管板处管子外积垢多,剥除后,垢层下管子外观良好.

图1 换热管管束集合

该换热器为1台双壳程U形管式螺纹锁紧环高压换热器,管箱材料为15Cr Mo(H)＋堆焊(309L型＋347型),壳程材料为Q345R,管板材料为锻件15Cr Mo(H)＋堆焊(309L型＋347型),换热管材料为06Cr18Ni11Ti(TP321),操作温度及压力如表1所示;壳程介质为低分油,管程介质为加氢裂化反应产物,具体工艺流程如图2所示.

图2 包含失效换热器的工艺流程示意

表1 失效换热器操作温度及压力

1 换热管检测分析

1．1 断口宏观分析

从换热管断裂位置进行观察,A、B两根换热管断裂位置均位于管板附近(如图3所示),换热管A断裂处位于管板低压侧距管板约20 mm,换热管B断裂处位于管板低压侧距管板约60 mm.

图3 换热管断裂位置

观察发生断裂的换热管A、B断口部位[分别标记为断口a、断口b,如图4(a)和图4(b)所示]发现:断口a、b均无明显的塑性变形,属于脆性断裂;断口a与换热管轴向大致垂直;断口b与换热管轴向夹角大致为45°,说明该换热管在安装过程中存在扭矩.同时还发现,换热管B内壁存在点蚀情况,点蚀坑呈碗状【5】,坑底部存在微裂纹.

1．2 材料化学成分分析

对换热管取样进行材料化学成分分析,结果如表2所示.将该结果与GB/T 13296—2013«锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管»【6】中关于06Cr18Ni11Ti材料化学成分的技术要求进行比对,结果显示,失效换热管材料化学成分符合标准要求.

1．3 断口扫描电镜及能谱分析

通过扫描电镜对断口a形貌进行观察,如图5和图6所示.由图5可见,断口a表面存在贝壳纹的痕迹,较平整区域疑似疲劳起裂区,裂纹源位于内壁.在扫描电镜下可观察到断口a断面上存在放射纹,通过回溯放射纹的交汇点,可判断出起裂点位于换热管内壁(如图6所示).通过高倍镜(1600×)对扩展区域进行观察,可观察到明显的疲劳辉纹,因此可以认定,该换热管断裂情况为疲劳断裂.

图4 宏观断口形貌

表2 06Cr18Ni11Ti换热管化学成分分析与标准对比 单位:w,%

图5 换热管A起裂区

通过扫描电镜对断口b及点蚀坑底部的微裂纹形貌进行观察,如图7和图8所示.从图7中可以发现,断口b存在较为清晰的起裂源与贝壳纹,因此推测该断口为疲劳断口.通过扫描电镜放大观察发现,断口b表面存在多处起裂点,可划分出较为明显的疲劳扩展区和瞬断区(如图8所示);进一步将疲劳扩展区放大至更高倍数(1 700×),可观察到疲劳辉纹;同时,通过高倍镜(1 100×)对瞬断区进行观察发现,瞬断区的大部分形貌已遭到破坏,但是仍然可以观察到一部分韧窝的存在.由此可判定,换热管B是由于疲劳发生断裂的.

通过机械手段打开换热管B内壁点蚀坑底部的微裂纹,观察裂纹表面形貌,如图9所示.已有研究表明:点蚀在演化过程中可逐步过渡产生疲劳裂纹【7】.由图9可以看出:点蚀坑底部微裂纹表面具有典型的河流状脆性解理开裂特征,属于脆性开裂裂纹;河流状花样从内壁扩展至外壁,证明裂纹从管内壁起裂.

由于两处断口均从内壁起裂,而内壁直接与介质接触,考虑到管内介质对于换热管材料的影响,对断口b处进行能谱分析,结果如表3所示.结果显示:表面残余有一定量的氯元素.而奥氏体不锈钢材料对于氯元素较为敏感,可能产生腐蚀疲劳开裂等问题.

图6 断口a表面形貌

图7 换热管B起裂源

图8 断口b表面形貌

图9 微裂纹表面形貌

表3 断口b表面能谱分析结果 单位:w,%

1．4 金相分析

为进一步分析换热管内壁情况,对换热管A未开裂部位进行机械加工取样,并进行金相分析.试样经镶嵌、磨制、抛光后,再经草酸溶液进行电解侵蚀处理.处理后试样的金相组织如图10所示.从图10金相组织照片(200×)中可以观察到:换热管材料的金相组织为奥氏体组织,换热管内壁存在大量裂纹;裂纹尖端圆钝,不存在树枝状穿晶开裂特征,可以排除应力腐蚀开裂的可能.结合换热管B内壁处出现的点蚀现象,可推断出裂纹符合奥氏体不锈钢腐蚀疲劳开裂的裂纹特征.

图10 换热管取样部位及金相

2 分析与讨论

腐蚀疲劳是材料在交变载荷引起的循环应力和腐蚀介质共同作用下造成的一种失效形式.单一的腐蚀或是交变载荷作用未必会对设备造成显著的失效风险,材料对于常规的疲劳也都会存在一定的疲劳极限.而在二者共同作用的环境下,即使腐蚀介质浓度不高或是循环应力不大,也可在材料中快速形成穿透性裂纹【8】.

通过上述分析手段对发生断裂的换热管A、B进行分析可以确定,内壁的点腐蚀＋腐蚀疲劳开裂是此次失效的直接原因,即氯离子富集导致换热管内壁06Cr18Ni11Ti材料表面钝化膜遭到破坏造成点蚀,以点蚀坑底部作为起裂源,在交变载荷作用下产生疲劳裂纹并扩展,最终过载导致换热管发生断裂.因此需要对腐蚀介质的影响和交变载荷的来源进行进一步的分析和讨论.

2．1 腐蚀介质

失效的换热管采用06Cr18Ni11Ti材料.该材料具有优异的高温性能和耐晶间腐蚀性能,是加氢装置反应系统高压换热器中常用的材料.而氯等卤族元素可破坏不锈钢表面钝化膜,形成点蚀坑,同时所形成的点蚀坑底部可作为阳极,与具有钝化膜的金属表面产生电化学腐蚀作用,使得表面钝化膜持续遭到破坏,材料不断被侵蚀【9】.若材料存在循环应力,则在点蚀坑底部会出现应力集中现象,使得组织发生塑性流动,萌生微裂纹.而材料发生塑性滑移的区域,其腐蚀活性得到增强,金属溶解加速,导致腐蚀进一步加剧.在循环应力的继续作用下,微裂纹最终扩展形成腐蚀疲劳裂纹【10】,如图11所示.

图11 腐蚀疲劳裂纹的形成与扩展过程示意

通过断口能谱分析及换热管内壁金相观察可以确定,失效换热管的材料表面存在一定量的腐蚀介质,尤其是氯元素,导致换热管的管内壁产生了大量尖端圆钝的裂纹.由于参与加氢裂化反应的原料油及循环氢中可能含有微量的无机氯化物,而该失效换热器位于加氢裂化反应系统的下游,管内介质为200℃左右的加氢反应产物,管程出口处正好为氯化铵盐的结晶析出温度,因此换热管内壁极有可能受氯离子侵蚀产生点蚀坑【11】.

2．2 交变载荷

失效的换热器属于典型的高低压差换热器,管、壳程的两侧压差较大,极易因压差产生强烈的振动.其管束为U形管,管程介质为加氢装置的反应产物,虽然介质压力较高,但流量一直比较稳定;而壳程流体为低分油,流体从下部沿垂直于换热器壳体的方向进入壳程,冲击管束中的换热管,因此该管束受到一个垂直于管束轴向的载荷冲击.从发生断裂的两根换热管位于管束集合最外侧可以发现,该处换热管受冲击载荷作用比较明显.查阅该换热器壳程侧的工艺流程和近一年的流量操作趋势曲线发现,其壳程侧为便于工艺操作调整,设有一组流体进料的温控调节副线,受上游温控的影响,进入壳程的流体流量不太稳定,其诱导产生的循环冲击载荷使得管束在近管板处(进料处)产生较大的弯矩.此外,两处断裂部位均位于换热管近管板处内侧边缘,而近管板处换热管相对运动受限,因此即使管束末端所受交变载荷极小,在近管板处的管截面上也将产生明显的循环应力.

综上所述,该换热器换热管束由于受到壳程流体垂直方向上的冲击载荷,加之管内介质存在一定量含氯化物的腐蚀物,导致管内壁产生点蚀,进而在循环应力作用下产生腐蚀疲劳,最终导致疲劳断裂.

3 建议及改进措施

换热器的换热管断裂失效是由于点腐蚀＋腐蚀疲劳导致的,造成断裂的主要原因是管程介质中存在氯化物等腐蚀性元素导致点腐蚀产生,且管束受壳程介质冲击载荷影响,在近管板处产生一定的循环应力,促进了腐蚀坑处疲劳裂纹的产生和扩展.针对上述结论,建议及改进措施有:

1)在壳程的换热管进料区域设置防冲挡板,避免流体对换热管的直接冲击,减少或消除近管板处换热管受到的循环应力;

2)加强加氢裂化装置的进料控制管理,减少加氢裂化原料和加氢所用氢气的氯离子含量;

3)强化换热器尤其是壳程侧前序工艺的温度控制,尽可能保持操作工艺流量的稳定性.