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哈氏合金换热器腐蚀开裂失效分析及解决措施
骆重阳a,张军明a,杨 冬b,杨 红a
(兰州石化公司, a.研究院; b.炼油厂;甘肃兰州 730060)
摘要：对哈氏合金U形管换热器频繁出现的腐蚀断裂问题,从材质、运行工况等方面进行了分析 采取了更换材质等防腐技术措施,收到了很好效果。
关键词：U形管换热器;哈氏合金;腐蚀;断裂
中图分类号：TQ 051.501; TQ 050.91 文献标志码: B
哈氏合金是美国Haynes International公司 N10665钢的商业名称,它具有良好的耐盐酸、醋酸、硫 酸等还原性介质或氧化性介质的耐蚀性能[1],这种以 镍钼为基础的合金具有强度高、延性好、硬度高和易 被加工硬化的特性。因此,在化工行业中得到广泛地 应用。但是某公司石油树脂厂一台U形管换热器在 使用这种材质时却出现了频繁腐蚀开裂问题。
该U形管换热器(以下称H-601 U形管换热 器)使用的材质是美国进口哈氏合金(牌号 N10665),于2003年3月投用,使用仅6个月就在 换热管煨弯处发生腐蚀开裂,导致装置停工。临时 用316L不锈钢钢管替换,仅使用3 d也在煨弯段出 现开裂。
为防止类似事故的发生,笔者从材料化学成分、 宏观断口特征以及运行工况等方面着手,对H- 601U形管换热器断裂原因进行了分析,并提出相 应的解决方法。
1 设备简介
频繁发生腐蚀开裂问题的H-601U形管式换热 器的换热管规格为Φ19 mm×2 mm。换热器的管 程介质为树脂液,入口温度为100℃,出口温度为 280℃,管程工作压力为1.7 MPa。壳程介质为导 热油,入口温度为330℃,出口温度为310℃,壳程 工作压力为0.8 MPa。
H-601U形管换热器哈氏合金U形换热管煨弯段开裂部位示意图见图1。现场检查表明,管束直管段无明显减薄现象,个别列管在U形弯段出现开裂,裂纹走向为径向,裂口附近没有减薄现象,管束列管没有发现局部胀粗和鼓包现象。
2 失效分析
2.1 换热管材质分析
原换热管所用的材质为N10665(国际钢铁牌 号,标准UNS)的镍基NibMo合金,其化学成分见 表1。
表1牌号N10665的哈氏合金化学成分 %
换热管所用的材质为哈氏合金,是镍基耐蚀合 金(w(Ni)≥50%),其金相组织、物理性能和耐腐蚀 性能介于不锈钢和纯镍之间,属于奥氏体结构金 属[2]。因此,由奥氏体不锈钢的腐蚀特性知,哈氏合 金钢在氧化性介质中可能存在晶间腐蚀、在有氯离 子的介质环境中也容易引起应力腐蚀。
2.2 介质分析
H-601U形管换热器管程介质为聚合反应后经 碱洗和水洗的树脂液,对腐蚀介质成分进行取样分 析,检验结果见表2。由表2可见,树脂液中氯离子 的质量浓度达80~130 mg/L、硫元素的质量浓度为 17~33 mg/L。
根据文献[3],奥氏体不锈钢发生氯离子导致的 应力腐蚀开裂的温度敏感区一般是150~280℃,在 这一温度区域内,氯离子质量浓度很小就可以引起 奥氏体结构的晶间腐蚀而导致腐蚀开裂[4]。H-601 U形管换热器管束部件的工作温度大体在100~ 190℃,有部分区域正处于容易发生应力腐蚀开裂 的温度区间。
2.3 应力的影响
H-601 U形管换热器管束的应力来源主要有: ①从操作条件上看,管程介质(树脂液)入口温度 100℃,出口温度280℃,进、出口温差较大,导致进 料段和出料段的管子的膨胀和自由伸长量不同。然 而两者又是通过管板刚性地连接在一起,因此,进料 段和出料段的管子会由于伸长量的不同产生相互作 用力,即产生温差应力。从结构上来看,管板是固定 端,管束煨弯段是自由端。当产生温差应力时,应力 会集中在自由端的换热管上。②换热管的弯曲半径 过小,最小处仅4 cm,有结构形式上的突变,产生的 应力不能均匀分布,也得不到缓解乃至消除,这使得 煨弯处的局部应力值急剧升高,在设备运作过程中 产生的各种应力就会集中在U形换热管煨弯段造 成应力集中。集中的应力是金属构件产生应力腐蚀 断裂的一个重要诱因。
2.4 腐蚀开裂原因
综合以上分析,换热管材质哈氏合金和316 L 工作的介质环境、温度环境具备了发生应力腐蚀的 条件,而U形换热管煨弯段的应力集中是个别U形 换热管煨弯段发生开裂的重要诱因。
3 改进措施及效果
根据以上分析,更换换热器管束材质成为首选, 考虑原H-601 U形管换热器换热面积仅32 m2,由 于换热面积较小,管束U形弯处冲刷腐蚀较为严 重。因此,根据H-601 U形管换热器腐蚀现状及实 验室选材试验结果,通过适当增大换热器尺寸以增 加换热面积来减小对管束煨弯段的冲刷。
新更换的H-601U形管换热器管束材质选用 20#钢制作,换热面积增大至为50 m2,防腐措施也 于装置检修时实施。目前,新安装的20钢H-601 换热器管束已运行近1 a时间,未发现有泄漏现象, 运行情况良好,可以满足设备长周期运行需要。
参考文献:
[1] 陈恭珉.哈氏合金及其应用[J].上海化工,2004,017(10):55- 56.
[2] 乐精华.耐蚀阀门用哈氏合金[J].阀门,2003, 34(01):34-36.
[3] 王 非,林 英.化工设备用钢[M].北京:化学出版社,2003.
[4] 张铁峰.奥氏体钢炉管的应力腐蚀开裂及防护措施探讨[J].石 油化工设备技术,2002,23 (6):21-28. (杜编)
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