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换热器管板失效原因分析

点击:1948 日期:[ 2014-04-26 21:35:22 ]
                           换热器管板失效原因分析                               孔祥军;陶思达                       (辽宁石油化工大学,抚顺113001)     摘要:某石化公司换热器管板运行仅一年,发现管板多处产生了严重的裂纹。通过对管板的化学成分和机械性能分析表明,发现材料符合标准;通过对管板的金相组织检查发现夹杂物超标,通过对材料的扫描电镜分析和腐蚀物分析,判定管板的失效应为在多种条件共同作用下应力腐蚀开裂。     关键词:换热器;管板;金相组织;应力腐蚀     中图分类号:TE965文献标识码:A文章编号:1006-4311(2011)29-0040-02     0·引言     某石化公司油浆换热器,为浮头式换热器,设备投入使用仅一年,在其设计寿命之内发生失效,严重影响正常生产,同时还带来了很大的安全隐患。为保证生产安全,受该石化公司委托对该开裂的油换热器管板进行分析,期望早日解决换热器管板的开裂问题。     1·失效管板的外观检查和材料化学成分分析     管板采用20R锻造处理,管板的直径为1.5m,管板厚为200mm,管板与管子的连接采用胀接后焊接。根据对现场的观察:管板上有许多条裂纹,且管板上半部裂纹更集中。裂纹多起源于管板与管束接头间隙处,裂纹呈环向及径向从管束开始向管板延伸。同时,管束之间的孔桥也分布着许多裂纹。有的裂纹在管板孔壁内侧产生,向外扩展。有的裂纹同时从两侧内壁产生,然后相对扩展(如图1)。                   截取开裂的换热器管板委托沈阳金属所进行化学分析,其化学成分见表1。经过化学成分分析,材料的成分符合GB/T6654-96中20R钢规定的指标。     2·失效管板的力学性能     由于在管板高温下工作,有必要对检验高温下的力学性能。试验是在MTS-880材料试验机上进行(见表2)。材料的力学性能符合标准[1]。                  3·管板的宏观和显微组织分析     3.1管板的宏观分析由图2可见:管板断口平整,颜色灰暗,没有明显的塑性变形,属于脆性断裂。裂纹起源于沟槽处,呈树枝状向外发散,尾部极为尖锐,瞬断区的宏观断口平整,外观比较清晰。裂纹宏观形貌具有应力腐蚀裂纹的典型形貌特征。                 3.2管板的宏观和显微组织分析从图3中可看出,管板材料的金相组织为铁素体+珠光体。铁素体+珠光体呈带状分层交替分布,这种组织称为带状组织,带状组织级别为3级,而正常的带状组织应小于2级,图3表明管板的带状组织超标[2]。高温下的钢材晶粒度为6级,晶粒大小正常,分布不均匀。管板的夹杂物含有铝硅酸盐的夹杂物和氧化物夹杂物,其中铝硅酸盐呈细小球状均匀分散分布,等级为2级,氧化物夹杂物呈粗大颗粒状,均匀分布等级为4级;两者夹杂物等级之和为6级,标准材料的夹杂物等级为不大于5.5级。所以,此材料的夹杂物等级超标[3]。                   4·断口及腐蚀产物分析     4.1断口分析将管板进行处理处理,制成扫描电镜试样,使用7500型扫描电镜对试样进行扫描观察,图4为断口的微观形态,微观形态呈放射状由中心向四周发射,它的平面是断裂单元,撕裂岭由平面之间最后连接的部分通过塑性变形方式撕裂而成,该处呈现一定的弧度,在裂纹扩展区,裂缝起源于晶粒内部的非金属夹杂物或硬质点,断口微观形貌如河流花样一般从小中心向四周扩展,形态短而弯曲,支流较少,且扩展连续。具有准解理断裂面的典型特征。从图5中可看出,管板微观裂纹形貌为树枝状分枝,裂纹尾部十分尖锐,裂纹多以穿过晶界为主,伴随着少量的沿晶,是典型的应力腐蚀裂纹形貌,也就是说断裂更接近应力腐蚀断裂。为进一步验证应力腐蚀断裂的推断须进一步分析断口处的腐蚀介质。                                           4.2腐蚀介质分析将管桥     中裂纹部分沿裂纹打开,采用能谱仪对断口的腐蚀物进行分析。     图6为断口腐蚀物能谱分析结果。从图中可以看出,腐蚀物中主要含有Fe、Al、C、S、Si、O、Cu。其中Fe、Cu主要来源于钢材本身。C和S来源于油品中,O、Si、Al来自硅铝酸盐裂化催化剂。说明管板开裂后,管程中的油品进入到裂纹当中,对裂纹尖端会产生较大的腐蚀作用[4]。                   5·应力腐蚀的机理     当管板在应力作用下,金属表面的缺陷处或夹杂物形成微裂纹源,裂纹非常窄小,孔隙内外溶液不容易对流和扩散,形成所谓“闭塞区”,在局部区域内,一方面金属原子变成离子进人溶液,另一方面电子和溶液中的氧结合形成氢氧根离子。在闭塞区,氧迅速被消耗,得不到补充,最后只能进行阳极反应。孔隙内金属离子水解产生氢离子,使PH值下降。由于裂纹内金属离子和氢离子增多,为了维持电中性,裂纹外的硫阴离子移至缝内,形成腐蚀性酸,使裂纹内腐蚀以自催化方式继续进行。     6·结论     6.1经锻造后,管板内存在带状组织夹杂物等缺陷,且夹杂物等级超标。     6.2由于温差应力、制造应力、工作应力、残余应力下造成管板内有很大的应力。     6.3通过对管板断口的宏观和微观分析可知,该断口为应力腐蚀断口。     6.4通过对腐蚀产物分析表明管板出现裂纹时,管程中的油品进入到裂纹当中进一步加速了腐蚀的发生。 参考文献: [1]刘丙会.油浆蒸汽发生器管板失效分析石油化工设备技术,2007,28,(1):57-61. [2]上海交通大学《金相分析》编写组编.金相分析[M].北京:国防工业出版1982,4. [3]袁黎明.油浆蒸汽发生器管板开裂原因分析及防治措施[J].石油化工设备技术,2005,26,(2):12-15. [4]郭文浩,张国福,宋天民等.蜡油蒸汽发生器管板开裂原因分析炼油技术与工程2007,36,(5):27-29.
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