废酸装置一级换热器换热管开裂原因

赖玉林,战捷,邸久源,王阳,杨栋,张鹏翀,段荣涛

(1.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司,上海 201614;2.中国石油大连石化分公司,辽宁 大连 116031)

换热器广泛用于石油化工行业,在实现热能交换与传递中扮演了至关重要的角色。换热管是换热器的核心部件,若过早失效将导致换热器整体寿命缩短,甚至造成重大经济损失及安全事故[1-2]。因此,研究总结换热管失效原因,对换热器的安全运行有着非常重要的意义。本文就某石化公司废酸装置一级换热器的U型换热管失效为例,在失效换热管上取样并进行了一系列理化试验,分析了换热管开裂的原因[3-6]。

1 设备概述

某石化公司废酸装置一级换热器的U型换热管弯头处发生开裂泄露,准备采用堵管的方式进行维修,堵管位置定为泄露管段的中间直段位置,然而在封堵过程中,邻近堵头处亦发生了开裂,如图1所示。换热管规格为φ33.4 mm×6.5 mm,材质为TP 446-1,换热器壳程介质为过程气,入口温度约为1 000 ℃,管程介质为熔盐,出口温度约为473 ℃。

图1 换热管开裂部位图

2 理化检验

2.1 宏观检查

在失效换热管直管段上进行切割取样,共取2段,分别标记为1#、2#,1#换热管取样长度约为245 mm,2#换热管取样长度约为211 mm。换热管整体宏观形貌如图2、3所示,换热管外壁呈铁锈色,附着有红色垢物,管内壁呈铁锈色,换热管内外无发现明显腐蚀痕迹,从换热管横截面形貌来看,管壁亦无明显减薄。

图2 1#换热管整体形貌

图3 2#换热管整体形貌

2.2 无损检测

依据NB/T 47013.5《承压设备无损检测 第5部分:渗透检测》的要求,对换热管进行渗透检测,结果表明,换热管内外壁表面均无明显裂纹类缺陷,如图4所示。

图4 渗透检测

2.3 理化检验取样部位说明

为进一步分析换热管失效原因,对取样部位进行分区、分项检验,如图5所示,共取1组化学分析试样、1组力学分析试样和2组金相分析试样,其中:1#金相试样以纵截面为检验面;2#金相试样以横截面为检验面。

图5 取样部位示意图

2.4 化学成分分析

依据GB/T 4336—2016的要求对失效管段母材进行化学成分分析,结果见表1,可知换热管化学成分符合ASTM A268/A268M-20中对TP446-1的要求。

表1 化学成分分析结果

2.5 金相组织分析

2.5.1 非金属夹杂物

依据GB/T 13298和GB/T 10561的规定,对1#金相试样进行磨制、抛光,以纵截面为检验面,使用GB/T 10561中A法对试样非金属夹杂物进行观察、评级,如图6所示,结果表明,换热管非金属夹杂物级别为B1.5e,D1级。

图6 非金属夹杂物

2.5.2 金相显微组织

依据GB/T 13298的规定,对所取的2个金相试样进行磨制、机械抛光,采用王水溶液腐蚀,对应的金相组织见图7、8。

图7 1#金相试样显微组织形貌

图8 2#金相试样显微组织形貌

结果表明,换热管显微组织为铁素体+碳化物颗粒+析出相,铁素体晶内弥散分布着大量碳化物颗粒,部分晶界呈链状,析出相主要分布在晶界处,形成较粗的连续的黑色晶界。依据DL/T 884—2019对组织脆化进行评级,级别为4级,严重脆化。

采用扫描电镜对金相组织微观形貌进行观察,如图9所示,结果亦知,换热管显微组织为铁素体+碳化物颗粒+析出相。

图9 2#金相试样外壁金相组织微观形貌

2.6 能谱分析

采用EDAX对换热管金相组织各相成分进行分析,如图10所示,结果见表2。结果表明:各相成分中均含Fe、Cr、C和Si元素,黑色块状析出相中Cr元素含量较其他区域略低。

表2 各相成分分析结果

图10 各相成分分析部位图

2.7 硬度试验

依据GB/T 4340.1规定,以1#金相试样面为硬度测定面,换热管硬度测定值为:331HV10、326HV10,329HV10,结果表明,换热管整体的硬度值均偏高。

2.8 力学性能试验

依据GB/T 228、GB/T 229的要求,对换热管进行力学性能测试,在进行拉伸试验时,试样在加载过程中即发生纵向断裂;对换热管进行冲击试验,冲击功为4 J,冲击韧性明显偏低,拉伸试样断裂后形貌如图11所示。

图11 拉伸试样整体形貌

2.9 断口分析

对拉伸试样断口形貌进行分析,如图12所示,试样沿横向、纵向均发生断裂,a处为横向断口,b处为纵向断口,两处断口形貌基本一致,断面较平整且起伏较小,呈脆性断裂特征。

图12 断口宏观形貌

采用扫描电镜对断口微观形貌进行分析,如图13所示,断面存在“河流”花样和解理台阶,呈解理开裂特征。

图13 断口微观形貌

3 分析与讨论

由化学成分分析结果可知,换热管化学成分符合相关标准的要求;TP446-1属含氮铁素体型耐热不锈钢,固溶状态下正常组织基本为铁素体,偶有个别析出相颗粒,退火状态组织铁素体+碳化物[7]。根据金相结果可知,换热管显微组织为铁素体+碳化物颗粒+析出相,铁素体晶内分布有大量的碳化物颗粒,部分晶界呈链状,而析出相主要分布在晶界处,形成较粗且连续的黑色晶界,依据DL/T 884—2019对组织进行评级,上述结果检验符合组织脆化4级,属组织异常。

换热管硬度测定结果为329HV(321HB),明显高于ASTM A268/A268M-20中对TP446-1的要求(≤207HB);另外,根据力学性能试验,试样在拉伸加载过程中即发生纵向断裂,冲击功为4 J。由此可知,换热管材料硬度升高而韧性明显降低。

综上分析,失效换热管材质发生了严重脆化。失效换热管材质由于Cr元素含量较高,同时还存在Mn等其他合金元素,因此很难避开σ相脆化、475 ℃脆化、高温脆化等高Cr铁素体不锈钢的固有问题。因σ相为富Cr析出相且呈颗粒状或链状,易在晶界处富集,这与金相检验结果不符,故可排除因σ相脆化而引起的管材韧性下降。经X射线能谱(EDAX)分析结果可知,组织中呈块状的黑色析出相成分中Fe质量分数范围为75.5%～78.1%,Cr质量分数为18.8%～20.6%,主要分布于晶界或三角晶界部位,这与α′相特征高度一致:α′相是一种富Cr的脆性相,Fe质量分数范围为61%～83%,Cr质量分数为17.5%～37%,α′相易在w(Cr)大于15%、析出温度为371～550 ℃的条件下形成。查阅设备设计及运行资料可知,失效换热管在正常服役时,正好处于α′相敏感温度区间内。α′相的析出会导致铁素体不锈钢的硬度和强度明显上升,并伴随着塑性和冲击韧性的急剧下降,是使铁素体不锈钢产生475 ℃脆性的主要原因。

4 结论与建议

换热管材料在运行过程中,金属材料发生劣化,金属间化合物析出,导致失效换热管硬度增大、韧性下降、材质严重脆化,最终发生开裂。建议采取以下措施进行改进:

1)进行工艺优化,增设控温设施,降低换热器壳程进口温度;加大换热管清洗频率,保证换热效能,避免因结垢等工艺原因导致换热管超温运行。

2)进行材料升级,满足现有工艺的情况下,选择更加耐高温的材料,确保设备运行安全。