换热器密封盘开裂失效分析

张旭日 王淑杰 王春茂

（1.山东昌邑石化有限公司 潍坊 261300）

（2.山东省特种设备检验研究院集团有限公司 济南 250101）

某单位180 万t／a 柴油加氢改制装置反应流出物／混合进料换热器，为第III 类压力容器，管程介质-反应流出物主要成分为硫化氢、氢气、油气、油，设计温度为321 ℃，设计压力为8.82 MPa，工作温度为301／220 ℃，最高工作压力为8.4 MPa。该换热器投用87 天后，其密封盘开裂。密封盘材质为S32168，直径为φ1 685 mm，厚度为13 mm，凸缘厚10 mm，密封盘厚度最小处为弹性变形区5 mm，密封盘在设备中位置如图1 中组合件1 所示。

图1 密封盘在设备中位置（组合件1）

在密封盘边缘环形区域内肉眼可见明显宏观裂纹，裂纹位于弹性变形区内，沿密封盘密封面边缘环向分布，见图2。

图2 密封盘开裂局部

1 检验过程与结果

1.1 宏观形貌检查

失效密封盘介质侧开裂位于弹性变形区的薄板，靠近密封盘外侧密封面过渡圆角处，沿环线整圈开裂，呈现多源起裂、沿环线扩展连接的特点，部分裂纹已经贯穿密封盘厚度方向。

密封盘厚度方向的裂纹形貌见图3，开裂从管箱侧向封头侧开裂，裂纹始于弹性变形区与密封面的过渡圆角或外圈压环与密封盘的接触面边缘，呈现分枝状。内圈压环与密封盘接触边缘沿密封盘环向部分开裂，开裂程度低于近过渡圆角处。

图3 密封盘近过渡圆角处沿厚度方向开裂形貌

从密封盘封头侧观察，密封盘近过渡圆角处存在明显的加工凹槽，贯穿裂纹位于此凹槽内，表面粗糙度较大，见图4。

图4 内圈压环与密封盘接触面两侧开裂形貌

1.2 化学成分分析

失效密封盘的化学成分符合GB／T 24511—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》中对S32168 的要求，见表1。

表1 化学成分wt%

1.3 力学性能分析

力学性能测试试验结果见表2，力学性能符合GB／T 24511—2017 中对S32168 的要求，其中试样2断后伸长率A略低于标准要求。

表2 力学性能

1.4 金相组织分析

在密封盘开裂所在环线上无宏观裂纹部位进行金相取样，按照GB／T 13298—2015《金属显微组织检验方法》的要求对密封盘裂纹周围进行显微组织检验，侵蚀剂选用王水，金相显微组织见图5。金相具有栾晶的奥氏体晶粒上有沿加工变形方向分布的黑色长条状α 铁素体，散状分布的方形或三角形粉色部位为碳化钛，未发现微观裂纹，未发现马氏体等硬脆相，金相显微组织未发生变化。其中奥氏体晶粒大小不均，铁素体含量偏多，约占10%。

图5 金相显微形貌

在密封盘有宏观裂纹区域，按照GB／T 13298—2015 对密封盘裂纹周围进行显微组织检验。裂纹附近及未裂部位均为奥氏体加长条状铁素体组织，有极少量的碳化钛。裂纹形貌见图6，显微组织显示裂纹呈树枝状分布。主裂纹扩展形式主要以穿晶开裂为主，尖端分叉较多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌。裂纹形貌有明显的奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂特征[1-3]。

图6 短裂纹形貌

1.5 断口扫描电镜检测

沿环线裂纹开裂处取样，通过扫描电镜观察未清洗开裂表面，形貌见图7，开裂沿厚度方向全部贯穿，表面附着较多换热器内管程介质或腐蚀产物，可见微裂纹，未发现明显晶间裂纹。

图7 开裂表面形貌

对裂纹结合面进行能谱检测分析，详细结果见图8。结果显示，裂纹内的腐蚀产物主要包括较多的氧化物、硫化物和少量氯化物。

图8 开裂表面能谱分析

对开裂表面清洗观察发现，表面有少量的大裂纹，微裂纹极多，存在沿同一个方向扩展的密布多源微裂纹，偶有较深的点蚀坑，表面有明显的腐蚀特征，见图9。

元素重量／% 原子／%元素重量／% 原子／%C 2.95 7.26 Ca 0.35 0.26 O 30.71 56.69 Cr 2.34 1.33 Si 0.64 0.68 Mn 1.80 0.97 S 0.45 0.42 Fe 53.48 28.28 Cl 0.65 0.54 Ni 4.12 2.07 K 1.50 1.13 Br 1.01 0.37总量100.00——

图9 断面形貌

2 失效原因分析

1）失效密封盘金相组织为非等轴晶，晶粒大小不一，铁素体含量高。显微组织分析显示裂纹呈树枝状分布，主裂纹扩展形式主要以穿晶开裂为主，尖端分叉较多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌，是典型的应力腐蚀形貌。

2）运行时密封盘接触介质为管程介质-反应流出物（主要成分为硫化氢、氢气、油气、油）。工艺流程中为防止结晶会向第三级换热器前管路中注水，管程中就形成了与不锈钢形成腐蚀体系的H2S水溶液。在能谱分析中还发现了Cl 元素，说明溶液中还有游离态Cl-，存在应力腐蚀的介质条件。

3）设备密封盘弹性变形区是密封盘的加工壁厚最薄处，在密封盘的过渡圆角及近过渡圆角、内圈压环的接触边缘是受力最大部位[4-5]。失效盘的过渡圆角较小，倒角越小密封盘应力越大，密封盘裂纹产生部位与拉应力区域具有很好的对应性。

综上所述，失效密封盘金相组织晶粒大小不均、存在较多的栾晶，密封盘本身在过渡圆角处存在应力集中，在工作载荷的条件下，密封盘将产生变形，带来较大的附加应力。换热器的工作环境为高温高压，工作温度为301／220 ℃，最高工作压力为8.4 MPa，管程介质中含有与不锈钢形成腐蚀体系的H2S 溶液和Cl-。在应力、腐蚀环境共同作用下，局部裂纹贯穿密封盘壁厚，腐蚀介质发生泄漏，导致整个部件失效。因此根据上述分析，可以认为，在拉应力和管箱内H2S 溶液、Cl-等腐蚀环境的共同作用下，在密封盘边缘环形区域处发生了应力腐蚀开裂现象。

3 结束语

某换热器密封盘投用短时间内发生开裂主要是由于弹性变形区与密封面的过渡圆角处、内圈压环与密封盘的接触边缘存在应力集中和附加应力，密封盘处于H2S 溶液和Cl-腐蚀性介质环境中，在密封盘拉应力最大区域处发生了应力腐蚀开裂现象，在设备使用过程中为了避免发生这种开裂，应从材料、应力状态和介质环境进行充分考虑，给出以下预防失效的建议和措施：

1）密封盘选材方面，金相组织以铁素体含量少的均匀细小奥氏体等轴晶为佳；

2）制造方面，建议厚度正偏差，加大过渡圆角，提高表面质量；

3）供需双方可协商，对钢板提出晶间腐蚀试验要求。