换热器设计
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甲胺装置换热器管束的泄漏失效分析点击：1971 日期：[ 2014-04-26 21:57:48 ] |
| 甲胺装置换热器管束的泄漏失效分析 王雨顺,师红旗,丁毅,马立群 (南京工业大学,南京210009) 摘 要：某公司甲胺装置换热器管束发生内漏。通过表面腐蚀形态分析、化学成分分析、金相显微组织分析、力学性能测试、EDS成分分析、SEM微观形貌分析、电化学测试等手段,分析了管束内漏的原因。分析结果表明,甲胺剧烈蒸发而产生的冲刷作用以及管束穿孔部位材料受热软化共同导致了该管束的冲刷腐蚀减薄和穿孔失效。建议采用涂层或更换材质来防止此类失效。 关键词：换热器管束;泄漏;冲刷腐蚀 中图分类号：TG172.9 文献标识码：A 文章编号：1005-748X(2010)03-0248-03 0 引言 某公司甲胺装置换热器在最近发现内漏后停车检修,该换热器是立式固定管板带膨胀节,筒体材料为16 MnR,管板材料为16 Mn III,换热器管束材料为20钢,共有364根19 mm×2 mm的管束,分为6个管程。这次共检查出5根管子泄漏,都是位于管束热水进口区同一管程,均距上管板约150 mm处发生腐蚀减薄穿孔,外径变细。水压试验又查出2根泄漏,随后安装了堵头。在更换管束时,发现约有1/3的管束外表面有腐蚀,外径减薄变细,有几根特别严重。 甲胺装置换热器管束工况介质条件如下:该换热器管程走热的工业废水,上进上出;壳程走甲胺与无机氨混合物,下进上出。换热器工作参数如下,设计工作压力:壳层进口2.3 MPa,管程进口1.0MPa;管程介质:工业废水(约100℃);壳程介质:甲胺与无机氨混合物(约50℃)。 为寻找腐蚀穿孔原因,以便采取有效对策,特委托我校对换热器管束腐蚀穿孔失效原因进行分析。 1 试验方法 对发生腐蚀穿孔泄漏失效的换热器管束线切割取样,宏观检测换热器管束的断口形貌。用直读光谱分析换热器管束的化学成分、用金相显微镜研究换热器管束的微观组织,用SEM扫描电镜研究换热器管束断面的微观形貌、用EDS能谱分析测量断面腐蚀产物的成分。为了进一步评价换热器管束材料在工况介质条件下的腐蚀行为,对管束材料在换热器壳层冷凝液中进行了腐蚀电化学性能测试。电化学测试在CHI660B系列电化学综合测试仪上进行,采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂电极,工作电极面积为1 cm×1 cm,非工作面用环氧树脂封装,扫描速度为1mV/s。 2 试验结果 2.1 宏观腐蚀形态 观察发现,换热器管束腐蚀主要是发生在距上管板约150 mm处的腐蚀减薄穿孔,外径明显腐蚀变细(见图1),而管束内表面腐蚀情况并不严重,游标卡尺测量减薄处内径为19.21 mm,管端内径为19.20 mm,两者差别不大,可以确定减薄穿孔从管壁外部开始向内扩展。由于该部位管束外表面甲胺温度已加热到最高,而刚刚进入管束内部的热水温度也很高,该部位甲胺的蒸发最为剧烈,初步断定为冲刷腐蚀。因此,为了准确分析管束减薄穿孔的原因,需要进行进一步的分析。管束外表面可以分为近穿孔区、远穿孔区两个区域,近穿孔区局部腐蚀减薄深度已达管束内表面,并最终导致换热器管束穿孔;远穿孔区管束外表面虽然发生腐蚀,但是并未发生明显减薄现象。 2.2 化学成分分析 为了判断管束材料的劣化情况,同时对一根新管束进行相应的分析,结果见表1,检测结果跟20钢的相关标准[1]对比表明,新旧管束材料成分基本一致,不含其他合金元素,硫、磷等杂质元素也基本符合20钢标准要求。 2.3 金相显微组织分析 旧管束的金相显微组织见图2,图2(a)为换热器管束近孔区外表面在试验前的金相显微照片,可以看到有冲刷磨损痕迹,有少许的凹坑。图2(b)、(c)表明,管束近穿孔区的显微组织组成为铁素体+球状珠光体,晶粒较细小(晶粒度约8级)。珠光体球化是钢材在高温下长期运行,材质老化的主要表现形式[2]。珠光体球化会使材料的力学性能发生变化,随着球化程度的加深,抗拉强度和屈服强度都会降低,降低幅度以完全球化等级为最大,但其塑性指标稍有改善。根据DL/T 787-2001标准,从原始状态至完全球化分为5个等级。 珠光体是铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物[3],也称片状珠光体。片状物的表面积与体积之比比球状物的大,即在同样体积情况下,片状物比球状物有更大的表面积。所以片状珠光体是一种不稳定的组织,其中渗碳体有自行转变成球状并聚集成大球团的趋势。这种球化过程是以扩散为基础的,当温度较高时,扩散速度加快,片状渗碳体逐渐转变成e球状,再聚集成大球团。炉管在高温下长期运行,珠光体容易发生球化。 近穿孔区的横截面和纵截面的晶粒均为等轴晶,且与远穿孔区的晶粒形状和大小基本一致,这就说明近穿孔区晶粒并未发生塑性拉伸变形,可以排除管束因拉伸过度而发生塑性减薄的可能性。另外,对新管束显微组织的观察分析表明,新管束横纵截面皆为等轴晶,无珠光体球化现象。 旧管束近穿孔区显微维氏硬度为173~177HV,而远穿孔区硬度为190~207 HV,新管束硬度为199~216 HV。显然,旧管束硬度略低于新管束硬度,而旧管束近穿孔区的硬度最低,结合前面分析的材料发生珠光体球化,共同表明管束在使用过程中发生了一定程度的软化现象,这可能与管束(尤其是近穿孔区温度最高)长期在50~100℃条件下工作有关,管束硬度的下降(尤其是管束近穿孔区硬度下降最显著)会降低管束的耐磨性能,对管束的耐冲刷磨损性能是不利的。 2.4 SEM形貌及腐蚀产物分析 图3(a)为换热器管束近孔区外表面在清除腐蚀产物后的冲刷磨损表面形貌,图中可以看出有冲刷磨损的痕迹,也观察到少量的凹坑。从图3(b)可以发现管束外表面腐蚀区布满腐蚀产物。管束内外表面腐蚀产物EDS能谱成分分析结果见表2,腐蚀产物主要由Fe、Mn、O、Si和少量的S、P元素所组成,表明材料表面受到了氧化,而图3(a)中的凹坑为轻微冲刷氧化作用所致。 2.5 电化学性能测试 从图4(a)中可以看出,管束在工况介质中的初始腐蚀电位约为-162 mV,但是10 min后腐蚀电位即上升到-130 mV,由于该冷凝液含甲胺和无机氨,具有强碱性,低碳钢在该强碱性冷凝液中具有钝化特性,腐蚀电位快速升。从图4(b)中可以看出,碳钢管束在该冷凝液中的阳极极化曲线虽然具有钝态平台特征,但是钝态平台不够平缓,阳极极化电流随着电位上升仍然存在明显增大的趋势,表明碳钢管束在该冷凝液中的钝态不够稳定,仍然存在发生腐蚀的可能性。一般碳钢在常温条件下的碱性介质中是耐蚀的,但是在强碱性介质中,特别是在温度升高时,碳钢的耐蚀性就会明显下降,这主要是由于碳钢表面腐蚀产物膜层(氧化物)转变为可溶性铁酸盐而丧失保护作用所致,在目前管束的工况介质和温度条件下,碳钢发生腐蚀的可能性是存在的[4]。综合考虑到管束穿孔部位由于甲胺的剧烈蒸发而产生的冲刷作用以及管束穿孔部位材料受热软化最为严重等因素,可以判断该部位管束的穿孔泄漏失效属于冲刷腐蚀减薄穿孔失效。 3 结论 (1)该换热器管束泄漏失效属于冲刷腐蚀减薄穿孔失效。 (2)由于甲胺的剧烈蒸发而产生的冲刷作用以及管束穿孔部位材料受热软化是导致管束冲刷腐蚀减薄穿孔失效的重要原因。 (3)该换热器管束材料(20钢)在目前的工况介质和温度条件下的耐蚀性是有限的。为了有效地防止换热器管束外表面的冲刷腐蚀,建议在管壁上喷涂耐磨耐腐蚀的涂层,也可以更换材料:如304、316不锈钢等。 参考文献: [1] GB699-1988.优质碳素结构钢技术条件[S]. [2] 金相图谱编写组.金相图谱[M].北京:水利电力出版社,1986:133. [3] 胡光立,谢希文.钢的热处理(原理和工艺)[M].西安:西北工业大学出版社,2004:42. [4] Frederic Ferrer,Thierry Faure,Jean Goudiakas,et al.Acoustic emission study of active-passive transitionsduring carbon steel erosion-corrosion in concentratedsulfuric acid[J]. Corrosion Science,2002,44:1529-1540. |
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