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乙二醛换热器换热管的断裂原因分析点击：1595 日期：[ 2014-04-26 22:01:01 ] |
| 乙二醛换热器换热管的断裂原因分析 王琼琦 王正东 涂善东 (华东理工大学承压系统安全科学教育部重点实验室,上海 200237) 摘要：对某硫酸厂乙二醛换热器换热管断裂原因进行了分析,表明换热管的失效是热应力导致的 热疲劳破坏,氯离子引起的应力腐蚀加速了换热管的开裂泄漏;气体分布器结构不合理是导致热应 力的主要原因,而频繁的开停车加速了换热管的低周疲劳开裂。建议改进结构,保障膨胀节能够起 到协调变形,降低热应力的作用。 关键词：换热管;热疲劳;应力腐蚀 中图分类号：TQ051.5 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2009)03-0049-05 1 概述 某硫酸厂年生产能力3万吨的乙二醛换热器, 为国内自行设计,是目前世界上最大的乙二醛换热 器,其直径达3500mm。换热管材质为304奥氏体 不锈钢。该换热器的工艺参数为,乙二醇和氧气预 热至236℃,通过触媒进行氧化放热反应转化为乙 二醛后,温度升高至550℃左右,进入乙二醛换热器 换热管,出口温度为260℃。冷却介质为蒸汽,进口 温度130℃,出口温度366℃。为提高换热效率,在换热器内加入气体分布器,通过分布器可使冷却介 质从换热器底部四周进入换热器。由于沿换热管轴 向存在非常大的温差,换热器壳体采用带膨胀节的 结构,以避免因温差导致的破坏。从换热器冷却出 来的乙二醛温度仍然不能满足后续工艺的要求,为 此在换热器出口位置增加喷淋装置,进一步冷却乙 二醛介质。 该设备自2006年10月投入运行后,不到2年 的时间出现换热管泄漏堵塞,期间经历过反复的开 停车。8月初及后来的停车检查发现出现泄露的换 热管多达100根以上,失效的换热管紧靠换热器的内壁,断裂的位置全部处于接近下管板100mm左 右的位置,裂纹呈周向分布。该换热器换热管大面 积开裂泄漏严重影响生产的正常进行,并导致产品 质量下降。为此,急需了解换热器泄漏的根本原因, 为换热器的整体改造提供可靠的依据。 2 失效分析 2.1 宏观检查 两根失效换热管的开裂位置见图1。图1中上 面的一根(A管)除了沿周向的主裂纹外,在主裂纹 的左侧分布着少量平行的周向裂纹和与轴向呈45° 的不连续裂纹,其他部分完好无损。图1中下面的 一根(B管)主断口与轴向呈45°,在主断口的左侧 除一条穿透的裂纹外,还分布着大量的表面裂纹,呈 网状分布。B管的网状裂纹分布在主断口左侧大约 40cm的范围,见图2。 2.2 化学成分与力学性能 在远离失效的位置取样进行化学成分分析和常 规拉伸试验,拉伸试样为标准管材试样。测试结果 见表1,2。化学成分和力学性能皆符合304不锈钢 的技术要求。 2.3 金相组织 2.3.1 基体组织 轴向和周向的金相组织见图3。从金相组织上 看,组织为热轧退火的奥氏体不锈钢组织,周向晶粒 较轴向的晶粒为细。 金相组织存在一定的退火孪晶,为正常的组织。 2.3.2 裂纹金相 对于A管的周向裂纹和B管表面的网状裂纹 区域轴向和周向取样的裂纹金相分别见图4,5。图 4的裂纹形态具有典型的热疲劳特征,裂纹扩展模 式为混晶。图5(a)的周向裂纹形态起裂位置和扩 展初期也具有典型的热疲劳特征,裂纹的扩展和裂尖具有典型的应力腐蚀开裂形貌。大部分轴向裂纹 形态也具有上述特征,也有少量的裂纹见图5(b), 为典型的应力腐蚀开裂形貌,呈枯树枝状,裂纹内存在一定的腐蚀产物。另外,裂纹附近的金相组织也 显示为热疲劳的特征[1]。 2.4 断口分析 将图1中A管的穿透性裂纹取样进行断口形貌 分析,裂纹起裂位置和扩展区的形貌特征见图6~ 9。从图6可以看出,裂纹起裂于外表面的缺陷处, 具有多源性,表面高低不平,局部呈脆性。图7为裂 纹扩展的形貌,从中可找到疲劳辉纹,为准解理断 口。 图8显示出与疲劳辉纹相垂直的脊骨状滑移台 阶以及二次裂纹。图9显示断口经过表面反复挤压 和擦伤。根据疲劳辉纹的宽度及其断口上呈现的特 征,可以确定失效的换热管为低周疲劳失效[2]。 2.5 腐蚀产物分析 对A管主断口的EDS分析结果表明,断口并不 存在引起应力腐蚀的腐蚀性介质C,lS等元素,主要 是C和O,这进一步说明,A管主断口为疲劳引起的 断裂,即使存在应力腐蚀,其作用也是次要的。 对B管主断口的EDS分析结果见图10。从图 中可以看出,断口表面的腐蚀产物除含有基体成分 外,还有C,lS和O等元素,结合金相裂纹形态可以 确定换热管失效确实与氯离子引起的应力腐蚀有关。 3 讨论 通过对失效的换热管化学成分、力学性能、金相 组织、裂纹宏观和微观形态、断口形貌和断口能谱分 析,表明热疲劳和氯离子导致的应力腐蚀共同作用 下是换热管泄漏失效的主要原因。下面就交变热应 力的来源、热疲劳和应力腐蚀在换热管失效过程的角色进行分析。 3.1 交变热应力的来源 本失效案例中,换热器的管程和壳程设计压力只有0.06MPa,可以忽略工作压力引起的应力。而换热管开裂泄漏的原因之一是热疲劳。热疲劳失效需要交变的热应力存在,并且为什么出现泄露的管 子只是靠近换热器壳体的外圈部分,从以下方面分析。 (1)冷却介质分布器的设计 冷却介质分布器是为了提高换热效果自行设计 的,这种设计方法的出发点没有问题。但这样的结 构不可避免地引进了热应力问题。在正常工作条件下,换热器外圈的管子中下部位的温度比中间部位 的管子低。在假定膨胀节起作用的条件下,膨胀节只能协调所有换热管均匀膨胀引起的变形,而对中间管子和外圈管子存在的温差产生的变形无能为 力,最终协调变形的结果是外圈管子整体受到较大的拉伸应力,而中间管子受到一定的压缩应力,这就是热应力的来源,对于外圈管子无论是开工还是停车都会产生很大的交变拉伸应力,另外冷却介质流量、流速的变化都是热应力产生的来源。高的拉伸平均应力和交变应力的存在导致了换热管过早失效。 (2)喷淋装置设计 经过换热器冷却的乙二醛介质还需要进一步冷 却才能达到工艺的需要,因此增设了喷淋装置,由于上述冷却介质分布器的结构导致从外圈管子出来的 介质较冷,而中间管子出来的介质温度较高,喷淋装 置和换热管的结构正好在外圈形成死角,加上喷淋 水的温度较低,喷淋水的汽化和飞溅等因素使得在外圈换热管下部经受较大的交变热应力而且容易产 生结焦现象,这也可以从现场换热器结焦情况得到验证(见图11)。 (3)操作历程 结构设计的不合理使得频繁的开停车成为最大 交变热应力的来源,由于换热器换热管在轴向存在 超过300°(外圈管子)的温度梯度,开停车导致的急 冷和急热使得外圈管子承受非常大的热应力,最终 导致低周疲劳失效。根据操作记录,在失效之前大约经历了近200余次的开停车。因此,频繁的开停 车是导致换热管热疲劳失效的重要原因之一。 3.2 低周疲劳的特征 热或其他应力引起的低周疲劳常出现在燃气轮 机轮盘和涡轮叶片、汽轮机的某些高温部件,压力容 器以及带有各种内外因角、缺口、键槽等。但对低周 疲劳的研究还不是很充分,但热应力引起的低周疲 劳除具有热疲劳的特征外,也具备一般低周疲劳的 断口特征。一般的低周疲劳在不同疲劳寿命下断口 呈现出准解理、涟波花样、平坦面、擦伤痕迹、轮胎花 样、脊骨状花样、疲劳辉纹等不同的特征[3]。鱼骨 状花样是低周疲劳和应力腐蚀特征,但两者有明显 的差别,应力腐蚀开裂断口的鱼骨状花样多数发生 在体心立方金属材料(如碳钢和马氏体不锈钢)中, 其中间脊线是由{100}[100]解理造成的,两侧是 {100}[110]和{120}[110]解理所引起的花样。而 低周疲劳断口的鱼骨状花样不像应力腐蚀断口的鱼 骨状花样那样平直,呈放射状,断口表面非常平坦, 这是由于低周疲劳断口的鱼骨状花样是在疲劳纹形 成后,裂纹面两侧有规则地反复张合相对面上的棱 角或硬的夹杂物使断面擦伤形成的塑性台阶。脊骨 花样是低周疲劳加载下断裂的主要微观特征标志。 结合断口的其它特征,可以说明脊骨花样是低周疲 劳引起的,而不是应力腐蚀导致的。 3.3 应力腐蚀在换热管失效过程的角色 换热管的部分裂纹金相呈典型应力腐蚀形貌, 这种形貌在热疲劳失效的裂纹形貌是不存在,断口 能谱分析的结果也表明存在引起应力腐蚀的腐蚀性 氯离子,加上热应力和合适的温度,说明氯离子引起 的应力腐蚀是客观存在的。关键问题是在本案例 中,应力腐蚀是否是导致失效的关键因素。这需要 从以下两个方面分析: (1)裂纹的宏观特征和主断口特征 前面的分析表明A管主断口上并没有发现氯 离子的存在,而且整个断口的主要特征是热疲劳。 由于主断口是最先萌生裂纹的位置,在主断口附近, 热疲劳的平行微裂纹非常清晰,而且部分裂纹的起裂位置的特征是热疲劳,扩展一定深度后才呈现出 应力腐蚀形貌。因此可以判断在外表面的缺陷处, 交变的热应力引发疲劳裂纹后,蒸汽介质中少量的 氯离子进入裂纹尖端,引发了应力腐蚀,加速了换热 管的失效。不可否认的是,确实存在单独因氯离子导致的应力腐蚀裂纹,但由于这些裂纹并没有穿透, 但也是较高的热应力引起的。 (2)环境因素 根据企业提供的检测信息,乙二醛介质不含氯 离子,而蒸汽介质中氯离子的含量低于1ppm,这说明在应力不高的情况下,产生应力腐蚀的可能性较小(尽管温度适宜),其他未改造的换热器使用了多年也没有出现类似的问题。因此可以说明较高的热 应力的存在是单独因氯离子导致的应力腐蚀裂纹的 根本原因,而较高热应力往往是交变的。因此,应力 腐蚀裂纹的出现并不是换热管失效的根本原因,但热疲劳和应力腐蚀裂纹应力腐蚀的交互作用加速了换热管的失效。 4 结语 换热管的失效是热应力导致的热疲劳破坏,氯离子引起的应力腐蚀加速了换热管的开裂泄漏;气体分布器结构不合理是导致热应力的主要原因,而 频繁的开停车加速了换热管的低周疲劳开裂。建议改进结构,保障膨胀节能够起到协调变形,降低热应力的作用。 参考文献: [1] 平修二[日].热就力与热疲劳[M].北京:国防工业出版社,1984. [2] DuyiYe,SaburoMatsuoka,NoburoNagashima,Naoyuki suzuk.iTheLow-cycelFatigue,DeformationandFinal FractureBehaviourofanAusteniticStainlessStee.lMate- rialsScienceandEngineeringA[J].2006,415:104- 117. [3] 上海交通大学《金属断口分析》编写组.金属断口分析 [M].北京:国防工业出版社,1979. |
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