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  • 再沸器中304不銹鋼換熱管的斷裂失效分析

    利用金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對立式硅烷塔再沸器的斷裂失效不銹鋼換熱管進行了金相組織分析、宏觀及微觀形貌觀察、化學成分以及結構和運行狀況分析,探討了管材的失效原因和機理。結果表明,不銹鋼換熱管外介質為導熱油和雪油,在未知原因下,有含有氯離子腐蝕性介質引入導熱油中,導致304不銹鋼換熱管出現局部腐蝕和電腐蝕,在氯離子和應力腐蝕作用下開裂。

    1引言

    某立式硅烷塔再沸器的不銹鋼換熱管運行半年后出現泄漏,檢查發現其中幾根不銹鋼換熱管出現嚴重裂縫。再沸器的殼程介質導熱油—雪油,導熱油溫度為150~200℃左右,導熱油在換熱器殼程自下而上流動,殼程上側設有出口,殼程工作壓力為0.3MPa,雪油中的含水量不大于80ppm;管程介質為氯硅烷,介質從管程的下側入口進入換熱器下管箱,并通過每根不銹鋼換熱管到達上管箱,管程介質溫度為100~150℃,管程工作壓力為3MPa,介質中不含水。

    此失效不銹鋼換熱管材質為304冷軋無縫管,規格:Φ25×2,固溶后酸洗狀態。失效前符合GB13296-2013標準,且使用前已經取樣進行了拉伸、壓扁、擴口、渦流、超聲及水壓試驗,結果為合格。不銹鋼換熱管與管板、折流板、殼體等零件進行組裝并制造成硅烷塔再沸器,對再沸器進行的水壓和氣密試驗均合格。該設備為整個系統中的重要設備,分析其不銹鋼換熱管失效的原因對今后工作具有重要指導意義。

    2失效管宏觀形貌

    2.1管材內外表面宏觀形貌

    對疑似泄漏的不銹鋼換熱管進行內窺鏡分析,發現有5~6根不銹鋼換熱管出現嚴重缺陷,取其中兩根失效管材,分別為1#、2#,并將管材從失效處切割下來,其中1#管材裂紋為貫穿性裂紋,2#管材裂紋較小。觀察1#管材外表面,如圖1所示,發現有多條肉眼可見裂紋,裂紋長10~20mm,裂紋較為曲折,近似沿軸向分布,通過線切割將管材縱向切割,管材內表面仍有裂紋,裂紋貫穿性分布。圖22#管材從裂紋處冷切割下來的裂紋試樣區,2#試樣外表面有凹坑和黃色物質,裂紋處未出現張口,圖2右為2#管材內表面PT滲透后的照片,其內表面有輕微缺陷,但無明顯裂紋,說明2#管材的裂紋從外表面開始,還未延伸至內表面。

    2.2斷口宏觀形貌

    為進一步分析,將1#試樣從表面裂紋處掰斷,通過體視顯微鏡觀察斷口處形貌,如圖3所示,從新舊斷口顏色不同來看,斷口呈現發黃發黑現象,從裂紋斷口來看,原始裂紋從外表面向內貫穿。

    3失效管材性能分析

    將失效管材在無肉眼可見裂紋處取樣,按照GB/T 13296不銹鋼換熱管標準進行力學、化學檢測。

    3.1力學性能

    失效304不銹鋼換熱管力學性能如表1所示,抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率都遠高于標準要求,說明失效管的無裂紋區域力學性能合格。

    3.2化學成分分析

    分析失效不銹鋼換熱管,其化學成分如表2所示,說明未在裂紋區的材料滿足材料標準要求,C含量也在正常范圍內。氧氮氫為GB/T 13296標準以外測量的間隙元素含量,通過LECO公司最新的ONH設備,測出的OH含量均很低,說明管材沒有大規模的吸氫、吸氧的行為。

    4失效不銹鋼換熱管微觀分析

    4.1裂紋區域的低倍和金相分析

    將裂紋試樣的環狀截面區域進行磨拋和腐蝕,并在10倍體視顯微鏡下,觀察如圖4,環狀截面上存在多處向內表面延伸的小裂紋,有些未達到內表面處,在管材內部時裂紋已經停止。觀察試樣金相(100倍)可以看到,管子裂紋從外表面開始,向內部延伸,裂紋終端較為平滑,不尖銳,裂紋形式為穿晶裂紋。

    4.2試樣裂紋區的表面與斷口分析

    在電鏡下觀察其斷口形貌,從50倍電鏡下可以看出(見圖6(a)),在斷口上,仍存在裂紋,從管材外表面為起點,不斷向內表面延伸,且移動電鏡視野,發現斷口處的裂紋不止一條,均為外表面向內表面延伸的裂紋,這說明了在管材處的裂紋源不止一處,而是數個小裂紋匯聚而成。在靠近外表面斷口尤其是裂紋附近,有大量顆粒狀的異物,靠近內表面時仍然存在,但數量有所減少。

    對圖像進行放大,見圖6(b),然后進行能譜分析,在非異物區,如圖6(d),主要元素除了Fe以外,還有Cr、Ni、C、O,其中Cr、Ni元素與標準以及表面正常區域相比,其元素含量大幅度降低,而Cr、Ni元素主要是耐腐蝕性元素,含量的降低意味著其耐腐蝕性能的大幅下降,而C、O元素也比表面正常區域元素含量高,由于此斷口為新掰斷的斷口,受到污染的可能性遠低于其外表面,這說明其C、O含量的增多更大的原因是受到了腐蝕。在斷口異物區進行能譜分析,見圖6(c),Cr含量僅為2.2%,Ni含量僅為1.2%,耐腐蝕性能極差,且大幅增加了O、C、Cl等元素。因此可判斷,斷口處是受到了腐蝕,腐蝕后的腐蝕產物主要包含C、O、Cl、Fe等元素。

    5結論

    1304失效管材拉伸性能合格,化學成分合格,且非裂紋區平均氫氧含量較低,管材無大規模吸氫吸氧的情況,管材組織為奧氏體組織。

    2)設備運轉中,不銹鋼換熱管材外表面處發生局部腐蝕,表面凹凸不平,將管材從裂紋處掰斷,舊裂紋已經基本貫穿不銹鋼換熱管,不銹鋼換熱管裂紋從外表面開始,不斷延伸到內表面,斷口處越靠近外表面,腐蝕產物越多,腐蝕產物中含有Fe、O、C、Cl、Si、Cr等元素。

    3)在管材的斷口處和環形截面上均存在長短不一的小裂紋,從外表面起始,向內表面進行延伸擴展,多個小裂紋匯集,說明不銹鋼換熱管的裂紋源不唯一;從金相上看,裂紋為穿晶開裂,裂紋終端不尖銳。

    4)從本次失效分析中可以看出,裂紋首先是由管材外表面處引起的,不銹鋼換熱管外介質為導熱油和雪油,在未知原因下,有含有Cl離子腐蝕性介質引入導熱油中,導致304不銹鋼換熱管出現局部腐蝕和點腐蝕,在Cl離子和應力腐蝕作用下開裂。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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