循环油蒸汽发生器换热管断裂原因

卢雪梅,陈梦婷,吴娜荣,李燕娇,王 亮,宋文明

(机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司,上海 201518)

循环油蒸汽发生器是一种重要的换热设备，为了达到节能目的，可以采用油浆循环的方法来提升壳程中汽水混合物的温度。在使用过程中，受腐蚀介质、设备振动、温差以及生产制造过程中出现焊接和机械胀接不当等因素的影响[1]，循环油蒸汽发生器经常出现换热管断裂的问题，严重影响了设备与装置的安全、平稳运行，并造成巨大的经济损失，因此找出循环油蒸汽发生器换热管断裂的原因，对延长循环油蒸汽发生器的使用寿命至关重要[2]。

某公司循环油蒸汽发生器为“高-低”U型管螺纹锁紧环釜式蒸汽发生器，因系统动力电源临时断电，管程进口侧的增压泵停车，设备壳体温度、压力和液位急剧升高，紧急放散装置发生超压泄漏，排放出大量的油气和蒸汽,拆解发现有换热管发生断裂。笔者采用宏观观察、垢物成分分析、金相检验、硬度测试及扫描电镜分析等方法，分析了该换热管断裂的原因，以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对断裂换热管进行宏观观察，结果如图1所示。由图1可见：管束上部最外侧1根换热管的中间贴胀部位发生环向断裂，且断裂后的换热管在高压流体的作用下向后退缩变形。

1.2 金相检验

在断裂换热管截面处取样进行金相检验，结果如图2所示。由图2可知：换热管的显微组织为奥氏体+析出相，析出相呈点状、链状分布，组织正常。

图1 断裂换热管的宏观形貌

图2 断裂换热管的显微组织形貌

断裂换热管裂纹处的微观形貌如图3所示，可见裂纹断裂方向从外向内，呈沿晶、穿晶混合断裂，在裂纹扩展区局部区域有晶粒脱落。

图3 断裂换热管裂纹处的微观形貌

1.3 硬度测试

分别对该断裂换热管段的未胀接区、胀接区和过渡区进行硬度测试，结果如图4所示，可见管段未胀接区的硬度符合GB/T 4340.2—2012 《金属材料 维氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准》的要求，胀接区和过渡区的硬度比未胀接区的硬度高，说明胀接区和过渡区管壁的应力比未胀接区管壁的应力大。

图4 断裂换热管段未胀接区、胀接区和过渡区的硬度测试结果

1.4 扫描电镜(SEM)分析

对断裂换热管断口处进行SEM分析，结果如图5所示。由图5可知：换热管启裂区、裂纹扩展区及裂纹尖端均呈沿晶开裂特征，断面呈块状，并可见二次裂纹，晶面附着有颗粒状垢物。

1.5 垢物成分分析

在同一根断裂换热管上取3个试样进行垢物成分分析，并编号为1#，2#，3#试样。其中1#试样垢物成分取自管板壳程侧断裂面，断面位置与胀接过渡区较近；2#试样垢物成分取自近管板侧新鲜断裂面(裂纹手动打开面)；3#试样垢物成分取自近管板侧断裂面，断面位置与胀接过渡区较近。采用能谱仪对1#～3#试样进行垢物成分分析，结果如图6所示，可见3个试样均主要含有C，O，Cr和Fe等元素，其中2#试样中含有Na，P元素，Na元素的质量分数为4.73%。

图5 断口的SEM形貌

图6 断裂换热管的垢物成分分析结果

2 综合分析

综合上述结果可知，该断裂换热管的硬度和显微组织均无异常。裂纹起始于换热管外壁，从外向内扩展，裂纹在扩展过程中以沿晶+穿晶混合开裂特征为主，并有晶粒脱落。断口的启裂区、扩展区、裂纹尖端均呈沿晶开裂特征，断面呈块状，并可见沿晶二次裂纹，晶面附着有颗粒状垢物，这个特征与裂纹的微观形貌相吻合，符合碱性溶液中的沿晶应力腐蚀开裂特征[3-4]。

循环油蒸汽发生器换热管的接触介质是除氧水和蒸汽，正常情况下含有一定量的磷酸盐、碳酸氢盐、碳酸和二氧化碳。在换热管操作温度(104～275 ℃)下，换热管发生水解反应生成了OH-，OH-与换热管内水中的Na+结合成游离的NaOH[5]，导致碱浓度升高，在胀管等有缝隙的地方，碱液发生富集、浓缩。该换热管服役时温度较高，加剧了介质中离子的运动，且温度越高，发生碱脆所需的浓度越低，发生应力腐蚀断裂的趋势越大[6-7]。研究表明，金属及合金材料在碱性溶液中，拉应力和腐蚀介质会导致碱脆[8-9]，碱浓度越高，材料的断裂敏感性越大[10]。

在104～275 ℃的服役温度下，随着水解反应的进行，换热管胀管缝隙位置的碱浓度不断升高，在应力作用下，形成了碱脆发生的特定条件。随着缝隙位置碱液的富集、浓缩，换热管表面形成了细小裂纹，碱液也在裂纹处聚集。在碱浓度较高的条件下，裂纹尖端成为阳极反应区，并在轴向应力的作用下，裂纹迅速扩展，最终导致换热管发生断裂。

3 结论与建议

循环油蒸汽发生器换热器发生了碱应力腐蚀断裂。可以采用阴极保护、表面喷漆等防护方法对应力腐蚀进行控制，并控制装置开工、停工的速率，以减少因温差而产生的断裂。