劉亞龍，安天佑，鄭紅果，陳玉戊，孫宏業(yè)

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.新疆蘭石重裝能源工程有限公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

螺紋鎖緊換式換熱器是世界先進(jìn)的熱交換設(shè)備，本文主要講述高-低螺紋鎖緊換式換熱器。其結(jié)構(gòu)見圖1所示，此類換熱器的特點(diǎn)：管程高壓、殼程低壓，換熱器的管箱與管板組焊為一體，管箱與殼程采用法蘭連接的結(jié)構(gòu)形式，管程只有一圈壓緊螺栓，管束與管箱連接為一體。該類型換熱器的主體密封分為兩大部分：其一為殼程側(cè)的密封，它主要通過把緊殼程法蘭與管板之間的連接螺栓實(shí)現(xiàn)，由于殼程壓力較低，殼程密封采用凹凸面密封形式，墊片多采用纏繞墊；其二為管程側(cè)的密封，它是通過螺紋鎖緊環(huán)上的壓緊螺栓壓在密封盤及密封墊上來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 高-低螺紋鎖緊換式換熱器

1 實(shí)際應(yīng)用

換熱器返廠進(jìn)行廠內(nèi)檢修，其殼程材質(zhì)為Q345R，換熱管材質(zhì)為S31603。廠內(nèi)檢修過程中，嚴(yán)格執(zhí)行專用檢修方案及相關(guān)操作規(guī)程，打開壓緊螺栓，抽出換熱器管束后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，具體詳見圖2和圖3。

圖2 管束抽出圖

圖3 管束被腐蝕圖

2 腐蝕分析

主要包括濕硫化氫環(huán)境腐蝕；堿腐蝕、硝酸鹽應(yīng)力腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕、連多硫酸腐蝕、金屬塵化腐蝕等[1]。

2.1 濕硫化氫環(huán)境腐蝕

硫化物應(yīng)力腐蝕(SSC)、臺(tái)階狀氫致開裂(HIC)是濕硫化氫環(huán)境導(dǎo)致鋼氫致開裂的主要形式。H2S的存在抑制分子氫的形成，致使原子氫向金屬內(nèi)部擴(kuò)散[2]，這就導(dǎo)致管頭焊縫處以及殼程焊縫處產(chǎn)生馬氏體組織和較高的殘余應(yīng)力。

(1)針對(duì)此次檢修，制取相關(guān)試樣送檢測(cè)公司進(jìn)行試驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)(0.5 wt%CH3COOH+5 wt%NaCl)A溶液中，加載應(yīng)力大小為247 MPa，經(jīng)過720 h試驗(yàn)[3-4]，試樣沒有發(fā)生斷裂；在10倍放大鏡下觀察所有試樣表面沒有發(fā)現(xiàn)垂直于試樣表面張應(yīng)力方向的裂紋，具體結(jié)果見表1，試驗(yàn)后試樣宏觀照片見圖4。

表1 SSC試驗(yàn)結(jié)果

圖4 SSC-四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后試樣宏觀照

(2)再次判斷是否由于(HIC)氫致開裂導(dǎo)致的腐蝕。制取相關(guān)試樣，送檢在標(biāo)準(zhǔn)(0.5 wt%CH3COOH+5 wt%NaCl)A溶液中，經(jīng)過96 h試驗(yàn)后[5]，試樣表面都沒有發(fā)現(xiàn)氫鼓泡。經(jīng)100倍金相分析后，3個(gè)試樣的截面都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。3個(gè)平行試樣的裂紋厚度率(CTR)、裂紋長(zhǎng)度率(CLR)及裂紋敏感率(CSR)均為0。送檢樣品通過了客戶驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗氫致開裂性能要求(3個(gè)截面的平均值：CLR≤5.0%，CTR≤1.5%，CSR≤0.5%)。具體結(jié)果見表 2。試驗(yàn)后試樣宏觀照片見圖5。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

通過兩次檢測(cè)試驗(yàn)說明，此換熱器泄漏腐蝕并不是由于濕硫化氫環(huán)境腐蝕造成的開裂。

2.2 堿腐蝕

當(dāng)局部氫氧化鈉濃度大于10%時(shí)，在較高溫度下，金屬表面的Fe3O4氧化保護(hù)膜將被溶解，其化學(xué)反應(yīng)式為Fe3O4+4NaOH→2NaFeO2+Na2FeO2+2H2O，則堿與暴露在氧化膜外的本體金屬進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)Fe+2NaOH→Na2FeO3+H2↑，堿的濃度足夠的前提下，此腐蝕則不斷進(jìn)行。局部腐蝕的特征，形成的腐蝕產(chǎn)物為多孔的磁性氧化物，腐蝕產(chǎn)物疏松，與金屬黏著性差。在熱交換器的水中只含有10～20 mg/L的苛性鈉，沸騰可以導(dǎo)致在沉積物下或縫隙中堿的濃縮，引起局部堿腐蝕，發(fā)生堿腐蝕的同時(shí)，還存在著拉應(yīng)力(尤其是熱應(yīng)力)，會(huì)引起堿應(yīng)力腐蝕開裂或稱作堿脆，堿脆裂紋呈現(xiàn)沿晶特征有分岔。

2.3 硝酸鹽應(yīng)力腐蝕

硝酸鹽溶液可以使低碳鋼發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，其反應(yīng)式為：

Fe2O3保護(hù)性薄膜附著在碳鋼表面，假如薄膜被破壞，那么Fe2O3保護(hù)性薄膜和裸露的基體金屬之間將產(chǎn)生陰陽(yáng)極電位差，造成陽(yáng)極基體金屬溶解腐蝕，致使應(yīng)力腐蝕開裂。由于低碳鋼的Fe2O3保護(hù)性薄膜只在晶粒表面上形成，即其為沿晶開裂。

2.4 氯化物應(yīng)力腐蝕

由于換熱器工作環(huán)境中存在大量Cl-，即其較大程度降低了基體金屬的表面能，有利于穿破金屬表面鈍化膜，加快基體金屬陽(yáng)極溶解。換熱管的氯化物應(yīng)力腐蝕一般為穿晶斷裂，并伴隨著較多分岔。只有當(dāng)換熱管材料組織處于固溶敏化狀態(tài)下，裂紋缺陷才是沿晶的。此應(yīng)力腐蝕的條件是，凡是換熱管束的成型過程，均可導(dǎo)致氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，其中包括換熱管煨彎、換熱管穿管束過程中以及焊接管頭等引起的殘余應(yīng)力都可以誘導(dǎo)氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

針對(duì)氯化物腐蝕開裂因素，將此S31603換熱管，進(jìn)行PT檢測(cè)，檢查換熱管束的腐蝕情況，因管束污垢較多，在檢測(cè)前，先進(jìn)性簡(jiǎn)單的砂紙打磨除垢，具體詳見圖5。經(jīng)過大面積多管束的檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，存在較小的層狀裂紋，經(jīng)過業(yè)主同意后，將部分換熱管頭進(jìn)行封堵，部分進(jìn)行更換。

圖5 換熱管束PT檢測(cè)

2.5 連多硫酸應(yīng)力腐蝕

連多硫酸一般是加工含硫原油的裝置在停工期間，殘留在設(shè)備中的含硫腐蝕產(chǎn)物遇水分和氧氣反映生成的，其化學(xué)反應(yīng)式為：

此應(yīng)力腐蝕只發(fā)生在由于高溫環(huán)境而敏化的奧氏體不銹鋼和貼鉻鎳合金中。其裂紋是沿晶的，伴有明顯的分岔，組織正常，為奧氏體+少量鐵素體，主裂紋的擴(kuò)展方向與容器所受主應(yīng)力方向垂直，斷口特征為巖石狀的沿晶特征。

2.7 金屬塵化腐蝕

含碳?xì)怏w吸附在金屬表面，氣體分解出活性碳，碳再向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，并與金屬反應(yīng)形成碳化物，由于金屬滲碳后體積增大，局部滲碳區(qū)收到來自周圍未滲碳區(qū)域的巨大壓應(yīng)力，導(dǎo)致滲碳區(qū)碎裂，形成腐蝕凹坑甚至溝槽；隨著滲碳層和炭黑沉積層的增厚，碳活度的變化，會(huì)使碳化物再分解為金屬和石墨，并以金屬粉塵的形式從金屬基體上脫落下來，在金屬塵化過程的同時(shí)，有可能發(fā)生氫腐蝕，促進(jìn)金屬碳化物的分解和微裂紋的形成，加速金屬塵化[6]。

3 分析

此次換熱器檢修過程中，對(duì)其泄漏腐蝕開裂的原因進(jìn)行分析，最后排除硫化氫應(yīng)力腐蝕，確定因素為換熱管束氯化物腐蝕開裂，造成該現(xiàn)象的主要因素是工作介質(zhì)的氯化物濃度過高，換熱管束熱成型及固溶熱處理過程中敏化溫度不夠造成的。

4 結(jié)語(yǔ)

換熱器在各種運(yùn)行工況下，由于其工作壓力、工作溫度及介質(zhì)的濃度等是變量，因此換熱管的堵塞、銹蝕、開裂、斷裂等損傷因素較多，因此要定期對(duì)換熱器進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，故障排查及維修，以延長(zhǎng)其使用壽命。通過此次換熱器檢修，深入了解了腐蝕相關(guān)知識(shí)。換熱器腐蝕主要包括殼程材質(zhì)的腐蝕和換熱管的腐蝕；其中腐蝕的主要環(huán)境有，濕硫化氫環(huán)境腐蝕、堿腐蝕、硝酸鹽應(yīng)力腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕、連多硫酸腐蝕、金屬塵化腐蝕等。此項(xiàng)研究對(duì)換熱器檢修工作起到指導(dǎo)作用，使我們?cè)谝院蟮臋z修過程中，能更好地根據(jù)換熱器的運(yùn)行環(huán)境確定腐蝕的主要因素，并為后期換熱器的設(shè)計(jì)選材提供了更好的理論依據(jù)。