楊小華

（上海華誼建設(shè)有限公司)

換熱技術(shù)

乙烯裝置氫氣加熱器U形彎管失效分析

楊小華*

（上海華誼建設(shè)有限公司)

某乙烯裝置氫氣加熱器系外置式夾套換熱器。該設(shè)備在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，U形彎管內(nèi)側(cè)有泄漏現(xiàn)象。通過取樣進(jìn)行化學(xué)成分、金相和腐蝕產(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn),U形彎管上存在的外表面裂紋是由內(nèi)壁向外擴(kuò)展至外壁所形成的，且呈多源裂紋特征，裂紋呈樹枝狀擴(kuò)展，系典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

彎管失效 泄漏 應(yīng)力腐蝕 換熱器 裂紋

0 氫氣加熱器技術(shù)參數(shù)及運(yùn)行情況

上海某石化股份有限公司乙烯裝置氫氣加熱器系外置式夾套換熱器設(shè)備，于1991年4月投入運(yùn)行。管子規(guī)格為 ?89×6 mm，夾套管子規(guī)格為?108×4.5 mm，管子材料為0Cr18Ni9Ti，夾套管子材料為20鋼。該氫氣加熱器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

由于是外置式換熱器，夾套直管段采用外保溫結(jié)構(gòu)，而U形彎管段沒有保溫，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 氫氣加熱器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 氫氣加熱器結(jié)構(gòu)

氫氣加熱器的氫氣從管內(nèi)上部進(jìn)入，此處溫度為25℃，氫氣通過U形夾套加熱從下排管出口流出，此處溫度大約200℃。夾套內(nèi)走蒸汽，進(jìn)口溫度為 390℃。據(jù)了解，2004年6月檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，左上方第一、二個(gè)U形彎管內(nèi)側(cè)有泄漏現(xiàn)象。將兩個(gè)彎頭取下后發(fā)現(xiàn)，彎頭內(nèi)側(cè)存在諸多沿軸向和環(huán)向貫穿裂紋。其余彎頭未發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷存在。

1 U形彎管樣品的化學(xué)成分分析

在發(fā)生貫穿裂紋的U形彎頭上取樣品，對(duì)該材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。

表2 U形彎頭樣品的化學(xué)成分分析（%）

根據(jù)GB 13296—1991《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)照鋼管材料0Cr18Ni10Ti的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分， 該U形彎頭材料符合0Cr18Ni10Ti的化學(xué)成分。在材料實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中含有少量的Mo元素，這可能是煉制過程中摻雜帶入的。 因此該U形彎管材料的牌號(hào)應(yīng)為0Cr18Ni10Ti，系低碳奧氏體不銹鋼。

2 U形彎管樣品裂紋的宏觀形貌分析

對(duì)含貫穿裂紋的U形彎管各部位進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)本次失效的U形彎管外側(cè)表面并沒有裂紋性缺陷，而靠近彎頭內(nèi)側(cè)存在較粗的貫穿性裂紋，裂紋方向沿彎頭軸向和環(huán)向，長(zhǎng)度約三分之一周長(zhǎng)，既有沿環(huán)向和沿軸向的單條裂紋，也有沿環(huán)向和軸向的交叉裂紋。用放大鏡觀察裂紋形貌，發(fā)現(xiàn)在較粗的裂紋兩側(cè)存在細(xì)小的裂紋，形貌呈樹枝狀，如圖2所示。裂紋端部呈現(xiàn)細(xì)尖狀，并沒有出現(xiàn)很鈍的裂尖現(xiàn)象。

圖2 U形彎管樣品貫穿裂紋宏觀形貌

3 U形彎管裂紋處的金相組織與形貌分析

為了進(jìn)一步判斷U形彎管內(nèi)側(cè)存在的裂紋起裂部位和擴(kuò)展方向，在裂紋部位沿厚度方向和在內(nèi)外表面上取樣進(jìn)行金相分析，以判斷諸多裂紋究竟是內(nèi)表面擴(kuò)展至外表面，還是外表面產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展至內(nèi)表面。經(jīng)磨拋、侵蝕后所得的金相照片如圖3～圖7所示。由圖3～圖7可以看出，裂紋是從管子內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展的，裂紋呈多源裂紋特征，裂紋擴(kuò)展呈樹枝狀，且裂紋分叉較多。由試樣樣品經(jīng)侵蝕后得到的金相組織照片可見，金相組織為奧氏體＋碳化物，裂紋呈穿晶擴(kuò)展特征。從金相照片上裂紋擴(kuò)展形貌可以判斷，本次管子上發(fā)現(xiàn)的裂紋屬典型的奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋。根據(jù)金相組織判斷，該U形彎管系熱加工成形的，在加熱過程中，加熱溫度超過了450℃，處于敏化溫度范圍，從而導(dǎo)致了大量的碳化物在晶界上和晶內(nèi)析出。

綜上所述，通過金相照片中裂紋擴(kuò)展形貌可以得出如下結(jié)論：

（1）裂紋是從管子內(nèi)壁產(chǎn)生的，并由內(nèi)向外擴(kuò)展至外表面，造成介質(zhì)泄漏。

（2）裂紋呈穿晶擴(kuò)展特征，且裂紋呈多源裂紋擴(kuò)展，在裂源處看不到內(nèi)表面有缺陷存在。

（3）該管子的裂紋系典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖3 U形彎管樣品裂紋（7#試樣金相）

圖4 U形彎管外表面裂紋（3＃試樣金相）50×

圖5 U形彎管橫截面內(nèi)壁裂紋（5＃試樣金相）50×

圖6 U形彎管樣品裂紋（1＃試樣金相）

4 U形彎管裂紋斷口的微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

將U形彎管裂紋沿裂紋面斷口打開后，在掃描電鏡中觀察其斷口的形貌如圖7所示。

圖7 U形彎管裂紋斷口微觀形貌

從圖7的U形彎管裂紋的微觀形貌可以看出，整個(gè)斷口均被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，斷口上明顯有多處二次裂紋存在，二次裂紋呈沿晶和穿晶特征。這也是應(yīng)力腐蝕的又一特點(diǎn)。在掃描電鏡中用電子探針對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 腐蝕產(chǎn)物元素能譜分析

圖8能譜分析結(jié)果表明，裂紋斷口上的腐蝕產(chǎn)物為硫化物，其余均為材料本身的一些元素。根據(jù)了解到的情況可知，管內(nèi)介質(zhì)為純氫氣，不存在含硫介質(zhì)。但通過上述分析表明，該U形彎管上的裂紋確認(rèn)是從內(nèi)壁擴(kuò)展至外壁，產(chǎn)生的裂紋也屬于典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。眾所周知，發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展應(yīng)有介質(zhì)的影響。若管內(nèi)單有氫氣介質(zhì)，對(duì)不銹鋼而言，不存在應(yīng)力腐蝕問題。因此可以判斷該管內(nèi)可能混有含硫的介質(zhì)。建議注意檢查管內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)，是否存在其它含濕硫的介質(zhì)，是否有多硫酸等介質(zhì)混合物存在。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)化學(xué)成分分析，確認(rèn)該U形彎管的材料牌號(hào)為0Cr18Ni10Ti，系奧氏體不銹鋼彎管。

（2）U形彎管上存在的外表面裂紋是由內(nèi)壁向外擴(kuò)展至外壁所形成的，且呈多源裂紋特征，裂紋呈樹枝狀擴(kuò)展，系典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

（3）根據(jù)對(duì)裂紋斷口的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素能譜分析，確認(rèn)該腐蝕產(chǎn)物為硫化物，因此可以判斷管內(nèi)介質(zhì)并非為單體的純氫氣介質(zhì)。

（4）建議對(duì)該換熱器所有的U形彎管外表面進(jìn)行著色檢查，同時(shí)對(duì)管內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行分析，以確認(rèn)是否混有含濕硫的介質(zhì)存在。

[1]翟祥華，包伯榮．模擬冷卻水中304不銹鋼的耐蝕性影響因素研究 [J].材料保護(hù)， 2003，36(4)：25-28．

[2]劉國強(qiáng)，朱自勇．不銹鋼在含有溴離子的醋酸溶液中的腐蝕 [J]．中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2001，21(3)：167-171．

[3]胡鋼，許淳淳，張新生．馬氏體相變對(duì)304不銹鋼點(diǎn)蝕發(fā)展過程的影響 [J].腐蝕與防護(hù)，2004，25(12)：507－509．

[4]A約翰·塞德賴克斯．不銹鋼的腐蝕 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986．

Failure Analysis for Hydrogen Gas Heater U-bending in the Ethylene Plant

Yang Xiaohua

The hydrogen gas heater in ethylene plant is an external jacketed heat exchanger.During the equipment maintenance,leakage occurred in the inside of the U-bending.By sampling,a series of analytic tests were conducted as follows:chemical composition analysis,microstructure analysis as well as corrosion product analysis,and found that the outside surface crack on the U-bending was formed by the crack extending outward from the inner wall to the outer wall.The crack had multiple sources and showed dendritic extension,it belonged to typical stress corrosion crack.

Bend failure;Leakage;Stress corrosion;Heat exchanger;Crack

TQ 051.5

2013-06-20）

*楊小華，男，1971年生，工程師。上海市，200232。