周超

（中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223）

某公司煤制烯烴項目投產運行約14 月后，其凈化裝置變換工序的低壓蒸汽過熱器換熱管發(fā)生泄漏，對泄漏管兩端封焊堵管后繼續(xù)使用，在后續(xù)運行的16 個月內又先后泄漏4 次，均進行了堵管，總共堵管39 支。 隨后該設備報廢更換一臺新設備（采用原設計），投運20 個月內，又泄漏3 次堵管188 支。頻繁的泄漏嚴重地影響了裝置的正常運行。

1 換熱器基本情況

換熱器參數見表1。

表1 換熱器基本參數Table 1 Basic parameters for the heat exchanger

2 管束外觀檢查及管程水壓試驗

為確定換熱管的泄漏位置，將報廢的換熱器的殼程筒體切割下來，殼程筒體切割下之后的管束整體情況見圖1。目視檢查管束，發(fā)現分程隔板附近一根換熱管，靠近管板側可見明顯裂口，疑似爆管，裂口形貌見圖2a，可能為早期因泄漏而堵過的換熱管編號為1#。

從管程進行水壓試驗。當水壓升至8 MPa 時，發(fā)現管束多處有水直接噴出來，噴水位置主要集中于低壓蒸汽入口附近靠近底部鞍座側。將最外側的兩支噴水管，編號為2#，3#。

在噴水區(qū)域進行割管，將1#，2#，3#管割下，并在該區(qū)域增加割取換熱管約10 支，外觀檢查，肉眼發(fā)現一支管有兩條明顯裂紋（見圖2c），另一支管上有一個明顯孔洞（見圖2e），將其分別編號為4#，5#。

將1#，2#，3#，4#，5#管送實驗室進行失效分析。

3 壁厚檢查

對1#，2#，3#管壁厚測量，結果如表 2 所示，正常位置處厚度基本為原始壁厚，破裂處的厚度數值超過 1.8 mm，說明未發(fā)生明顯的均勻腐蝕減薄，泄漏并非因整體均勻腐蝕減薄所致。

4 化學成分分析

圖1 管束形貌和泄漏位置Fig.1 The tube bundle appearance and the leaking area

表2 換熱管測厚Table 2 Thickness of tubes

根據 GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，采用便攜式全定量光譜儀對1#，2#，3#換熱管進行化學成分分析，結果發(fā)現 P 元素超標，其他元素均符合GB 13296—2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》。采用 GB/T 223.59—2008《鋼鐵及合金 磷含量的測定 鉍磷鉬藍分光光度法和銻磷鉬藍分光光度法》對P 元素復驗，P 含量偏高，但在 GB/T 222—2006《鋼的成品化學成分允許偏差》范圍內。

5 裂紋和蝕孔的起源

剖開1#，4#，5#換熱管，觀察裂紋和蝕孔處內、外表面。1#管裂紋在外壁開口大，內壁開口小，外壁延伸長度長；4#管裂紋處在外壁開口大，內壁僅局部貫穿；5#管外壁蝕孔對應的內壁位置未出現孔洞。說明裂紋和孔蝕均是起源于換熱管的外表面，逐漸向內表面擴展直至貫穿。

表3 換熱管化學成分Table 3 Chemical composition of tubes %

6 形貌及能譜分析

2#管外表面宏觀和微觀形貌如圖 3a、3b 所示，存在大量腐蝕坑，在腐蝕坑周圍存在橫向裂紋，橫向裂紋與管子軸線方向呈 60°擴展。對腐蝕坑處，裂紋打開后的斷口靠近外表面處和靠近內表面處，分別進行能譜分析，結果見表4。管外壁腐蝕坑和裂紋斷口的靠近內外表面處均存在Cl、S 元素。Cl 元素可能來自殼程低壓蒸汽（冷凝液），現場分析檢測低壓蒸汽入口的冷凝液中Cl 的濃度為1.90～2.44 mg/L，低壓蒸汽出口的冷凝液中Cl 的濃度為2.89～7.62 mg/ L。管外側檢出S 元素，可能為泄漏后管內工藝介質串入所致。

在蝕孔周圍發(fā)現裂紋，且蝕孔和裂紋中均存在Cl 元素，這與氯化物應力腐蝕通常起源于點蝕的說法相一致。

7 裂紋處金相組織

1#管開口裂紋附近未貫穿裂紋的表面金相照片，如圖4a；裂紋呈樹枝狀形貌、穿晶發(fā)展，金相組織為典型的奧氏體攣晶組織，裂紋附近的奧氏體晶內有形變馬氏體組織；4#管裂紋處截面金相組織照片，如圖4b，4c；組織為奧氏體，裂紋為穿晶開裂。二者均具有奧氏體鋼應力腐蝕開裂的特征。

圖2 取樣管裂紋或蝕孔形貌（管內外表面）Fig.2 Cracks and Pits of sample tubes

圖3 2#管腐蝕坑及裂紋Fig.3 Pits and Crack of tube 2#

8 泄漏原因分析

泄漏沒有發(fā)生在管子與管板的焊接接頭處，也未發(fā)生在管子與管板連接的縫隙處，而是集中發(fā)生在低壓蒸汽的入口區(qū)域，并且點蝕和裂紋均起源于管外側，說明泄漏的原因與殼程介質有重大關系。而殼程介質為低壓蒸汽，理應不會腐蝕奧氏體不銹鋼的換熱管，本項目低壓蒸汽為鍋爐給水所產蒸汽?，F場查看時發(fā)現，在低壓蒸汽過熱器殼程低壓蒸汽入口管彎頭處的導淋口有較多液態(tài)水排出，說明入口低壓蒸汽帶水嚴重。氣液兩相的蒸汽進入管束外表面后，被管內變換氣加熱，最終轉變?yōu)檫^熱態(tài)，在管束外表面的一定區(qū)域會形成干濕交替的區(qū)域。氯化物會在該區(qū)域聚集濃縮，在氧的促進作用下，使奧氏體不銹鋼換熱管產生點蝕和應力腐蝕。

表4 能譜分析結果Table 4 EDS analysis %

圖4 裂紋處組織Fig.4 Structure of crack area

用鍋爐給水產蒸汽的廢熱鍋爐，由蒸汽中Cl、O 共同引起的奧氏體不銹鋼換熱管應力腐蝕開裂泄漏的事故曾多次被報道[1-2]。本項目低壓蒸汽冷凝液中已檢出氯離子，受現場條件限制沒有檢測氧含量，但在以往項目中鍋爐給水氧含量超標的情況時有發(fā)生，更何況氧含量高于0.5 mg/L 即對氯化物應力腐蝕有顯著促進作用[3]。

9 改進措施

盡量減少進入殼程低壓蒸汽中液態(tài)水的攜帶量，避免出現干濕交替區(qū)域，控制低壓蒸汽中氯和氧的含量。或者，選擇更耐氯化物點蝕和應力腐蝕的換熱管材料，如雙相鋼S22053。

10 結論

綜上所述，低壓蒸汽過熱器的換熱管泄漏的原因為：低壓蒸汽中的氯在換熱管束外表面的干濕交替區(qū)域聚集濃縮，在氧、硫等的促進作用下，在管外表面產生點蝕和應力腐蝕裂紋，擴展到管的內壁，導致換熱管發(fā)生泄漏。

為避免此類事故的發(fā)生應控制蒸汽中的氯和氧的含量，并避免出現干濕交替區(qū)；或選擇更耐氯化物點蝕和應力腐蝕的材料。