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    2205雙相不銹鋼換熱管短期泄漏失效原因分析與討論
    發布者: 發布時間:2019/12/4 閱讀:1522

      雙相不銹鋼是指鐵素體與奧氏體各約占50%,一般較少相的含量最少也需要達到30%的不銹鋼。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點,與鐵素體不銹鋼相比,塑性、韌性更高,無室溫脆性,耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高;與奧氏體不銹鋼相比,強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高;谝陨咸攸c,雙相不銹鋼被廣泛應用于石化企業一些介質環境比較惡劣的工況。雖然雙相不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能,但在一些特殊環境中因雙相不銹鋼的腐蝕或其他原因導致的失效事故仍屢有發生。

      雙相不銹鋼被廣泛應用于石化企業一些惡劣工況條件下,但某石化企業原油-常頂油氣換熱器經短期運行后,在換熱器管板部位出現多個泄漏點。通過腐蝕形貌、金相、硬度等檢測手段并結合換熱管的腐蝕環境,綜合分析了該換熱管短期泄漏失效的原因,為后續雙相不銹鋼腐蝕與防護提供技術支持。

      某石化蒸餾裝置常壓塔頂原油-常頂油氣換熱器經短期(2個月)運行后,多個管頭脹接區域出現泄漏點。為了解換熱管短期泄漏失效的原因,在該換熱器抽出管束中截取出一根泄漏換熱管和一組未泄漏換熱管,通過腐蝕形貌分析、金相分析、硬度檢測、能譜分析等對其失效原因進行綜合分析,以便采取有效的防護措施,避免發生類似的事故。

    一、工藝分析

    該換熱器管板和管子材料為2205雙相不銹鋼(0Cr22Ni5Mo3N),介質為常頂油氣,溫度80℃。油氣中含有大量的硫化氫,氯離子和二氧化氫,屬于復雜介質環境下氯化氫+硫化氫+二氧化氫的低溫腐蝕,當pH>7時主導損傷機理為酸性水腐蝕;當pH<7時主導損傷機理為鹽酸腐蝕。此外硫化氫的存在對碳鋼和低合金鋼會造成濕硫化氫環境下應力腐蝕開裂,氯離子的存在會對奧氏體不銹鋼造成氯化物應力腐蝕開裂。由于常頂采用的是“三注一脫”工藝,氨的注入還可能產生氯化銨的垢下腐蝕。

    二、泄漏失效管束外觀形貌及材料性能分析

    2.1 宏觀形貌

       該換熱器為U形管式換熱器,彎管為光管,按設計要求進行過固溶化處理,直管為滾壓加工的螺旋管。圖示出換熱管外壁溝槽部位的損傷形貌,圖示出換熱管內表面局部點蝕損傷形貌。泄漏換熱器的管板及截取的換熱管宏觀形貌特點如下:

    (1)換熱器管板上的泄漏管數量及分布特點。管板上泄漏管數量超過30個;泄漏管的位置無規律分布。

    (2)抽檢的換熱管外表面加工損傷特點。已泄漏的換熱管的旋壓溝槽部位的外表層有大量的滾壓加工翻皮缺陷,這種缺陷數量雖然不少但深度較淺,顯然不是換熱管短期運行開裂泄漏的原因,但在裝置長時間運行中不排除其會不斷擴展。

     (3)抽檢的換熱管內表面的腐蝕損傷特點?拷馨逦恢玫墓茏觾缺砻纥c蝕坑最多,隨著與管板距離的增大,相應點蝕情況逐漸減輕。換熱管內表面的點蝕坑深度較淺,應不是換熱管短期運行開裂泄漏的原因。

    2.2 金相分析

       通過金相顯微鏡觀察管段橫縱截面的局部組織,如圖所示;w組織為:鐵素體+條帶狀奧氏體析出相組成,兩相數量大體相當,奧氏體析出相沿鋼管的軋制方向呈條帶狀相間分布。換熱管的內表面存在縱向微裂紋,這些微裂紋在換熱管壁厚的徑向長度較短(150μm之內),但數量較多。另外,由組織觀察發現,在內壁微裂紋區域的組織形態與正常雙相不銹鋼管材的橫截面組織有所不同。在內壁微裂紋區域出現薄薄一層(小于100μm)沿管壁徑向生長的類似柱狀晶層的條帶狀組織。內壁微裂紋基本分布在這一薄層的類似柱狀晶層的條帶狀相界之間?v向微裂紋的存在使換熱管的承載能力,特別是塑性變形能力以及焊接性能急劇降低。

      管段外表面螺旋溝槽附近區域存在明顯的變形帶,變形帶走向完全圍繞著滾壓加工的螺旋溝槽。另外,發現部分螺旋溝槽的底部在其側面有長約100μm的滾壓加工裂紋,說明旋壓加工的壓力很大;旋壓加工變形帶的存在,說明旋壓加工后,螺旋換熱管未進行固溶消除應力退火處理。

    2.3 化學成分分析

      對換熱器彎管部位取樣進行化學成分分析,具體數據列于表1。根據分析結果,除氮的數據略有差異外,其他成分符合2205材料標準。

    2.4 硬度檢測

      硬度檢測位置分別選擇在螺旋換熱管的螺旋溝槽底部內表面及未加工螺旋溝槽的管子內表面。

    三、檢驗結果分析

     綜合上述檢驗結果得出,換熱管的化學成分及基體組織(鐵素體+條帶狀奧氏體)基本符合2205雙相不銹鋼標準要求。主要存在的問題如下。

    (1)換熱管內壁存在大量微裂紋缺陷

      通過金相分析發現,不管是管頭脹接附近的部位還是遠離管頭的部位都有大量的微裂紋缺陷,這一現象說明這些裂紋在管子軋制加工過程中就已經形成。

    (2)換熱管存在大量加工缺陷

      在換熱管外表面螺旋溝槽附近區域存在明顯的變形帶,變形帶走向完全圍繞著滾壓加工的螺旋溝槽。另外,還有一些換熱管的螺旋溝槽底部存在滾壓加工裂紋。滾壓加工裂紋的存在,說明加工的應力很大;滾壓加工變形帶的存在說明加工后,螺旋換熱管未進行固溶消除應力退火或消除應力退火不充分。

    (3)換熱管局部的點蝕損傷

       經短期運行后,在換熱管內壁已經產生較多但不是很深的點蝕坑(100μm左右)。這些蝕坑的產生說明該批次換熱管對工作介質的耐點蝕能力不足,將明顯影響到換熱管的使用壽命。

    (4)換熱管的硬度

       檢測結果表明,加工螺旋溝槽部位硬度相對于未加工區域明顯偏高,換熱管的硬度偏高,將導致管材脆性增大、塑性韌性下降。硬度偏高應是加工硬化造成的,說明換熱管在加工螺旋槽時變形量過大且加工后未進行消除應力處理或消除應力處理不充分。

    四、換熱器管板上管頭短期泄漏原因分析

    4.1 管頭焊后脹管施工的影響

      宏盛特鋼調查得知,管板焊接后焊接管頭部位進行過脹管施工。由于雙相不銹鋼為不穩定的奧氏體組織,在冷加工后奧氏體會轉變為馬氏體,使硬度和強度上升,脆性敏感性增加。同時脹接的臺階部位,脹接應力也會非常集中。德國巴斯夫公司WH75-100管子與管板焊接標準規定,當存在應力腐蝕環境時,不推薦進行任何型式的脹接。

    4.2 硬度的影響

      硬度檢測結果顯示本次換熱管失效部位平均硬度高于未加工部位的硬度。硬度偏高主要原因為脹接施工和滾壓加工。材料的硬度和應力水平是影響應力腐蝕開裂敏感性的兩個關鍵參數,隨著硬度的增加,鋼的應力腐蝕開裂的敏感性也會增加。其中雙相鋼抗硫化物應力腐蝕其硬度要小于HRC28,而本次失效的換熱管平均硬度HRC達到了35,硬度值超標意味著雙相鋼在冷加工過程有應變馬氏體析出,從而降低了雙相鋼抗硫化物應力腐蝕的能力。本身失效的管束也處于濕硫化氫腐蝕環境,硬度超標不可避免會發生硫化物應力腐蝕開裂,加速管子本身存在的微裂紋的擴展,從而導致開裂泄漏。


      綜合以上分析,本次換熱管管頭泄漏失效是由于該換熱器管程處于濕硫化氫腐蝕環境,而脹接和旋壓加工造成的馬氏體相析出、高硬度以及應力集中會使硫化物應力腐蝕開裂敏感性大大增加。同時,換熱管原材料不符合質量標準,內壁存在大量縱向微裂紋,雖然這些微裂紋長度較短,但這些微裂紋在運行過程中會在硫化物應力腐蝕的促進下快速擴展、形成穿透性裂紋。由于雙相不銹鋼組織的不穩定性,建議雙相不銹鋼換熱管與管板不得采用任何形式的脹接。同時滾壓加工也會導致軋槽部位出現應變馬氏體而使硬度升高,此種結構應用廣泛,建議滾壓加工時要避免表面損傷,加工后應進行全管的固溶處理。

     
     

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