浮头式换热器
管壳式换热器设计
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乙苯换热器换热管与管板接头开裂失效分析点击：1726 日期：[ 2014-04-26 22:05:57 ] |
| 乙苯换热器换热管与管板接头开裂失效分析 汪光胜1,周晓燕2,郭志军3 (1.中石化金陵分公司机动处,江苏南京 210033;2.中国石油海洋公司金属结构建造事业部, 山东胶州 266300;3.兰州石油机械研究所,甘肃兰州 730050) 摘要:固定管板式乙苯气-反应混合气换热器投用1a内多次发生换热管与管板焊缝开裂,全面检 查发现换热器还存在筒体呈波浪状、筒体膨胀节严重变形和开裂、管板向外突出变形、鞍座焊缝开 裂等失效形式。检验分析表明,换热管与管板焊缝开裂为氯化物应力腐蚀开裂,热应力过大是导致 应力腐蚀的主要因素。 关键词:换热器;不锈钢;热应力;应力腐蚀;失效分析 中图分类号:TE986 文献标志码:B 某厂乙苯气-反应混合气换热器为固定管板式 换热器(工艺位号E-301),该换热器2002年2月投 用,同年4月到7月相继发生了3次热端管板与壳 体焊缝开裂、高温端管板断裂,导致装置停工。分析 认为,管板过大的温差应力是导致开裂,的主要原 因。因此,将管板改进为22mm厚的薄管板,采用 柔性设计来解决管板的温差应力[1]。该设备改进设计后投用1a又出现换热管与管板焊缝开裂(图1), 补焊修复后短期内多次发生开裂,且开裂周期呈明 显缩短的趋势。文中介绍对其进行分析的情况。 1 设备简介 该换热器为卧式固定管板式,规格Φ1900mm× 9005mm×18mm,筒体中部安装1组YTAB13801型膨胀节。换热管Φ38mm×2.5mm×8000mm, 换热面积1154m2,材质0Cr18Ni9。壳程和管程的 设计压力均为-0.1MPa,壳程的最大工作压力为 -0.002MPa、管程最大工作压力-0.059MPa。 壳程设计温度550℃,管程设计温度638℃,壳程 进口操作温度为97~105℃,壳程出口操作温度 470~535℃,管程进口操作温度598~625℃,管程 出口操作温度357~310℃。壳程介质为乙苯气,管 程介质为反应混合气。换热管与管板的连接采用密 封胀加强度焊的型式。焊接方式为自动钨极氩弧 焊,焊接材料为Φ1.0mm的E308。 全面检查发现换热器筒体变形呈波浪状(图 2),膨胀节有严重不均匀塑性变形且纵焊缝开裂,管 板向外凸出,冷端鞍座水平位移大于200mm,鞍座 角焊缝开裂。未开裂部分管头的焊缝外观质量良 好,焊脚高度和管子伸出长度满足文献[2]的要求。 管板和换热管焊缝表面均呈黑色。管板变形以热端 下部最严重,该部位开裂的管头密度也最大,部分孔 桥开裂连通,开裂的管头伸出管板5~10mm,远超 出原设计的2.5mm。 大部分管头存在椭圆变形,裂纹已穿透管壁,裂纹主要沿管子与管板角焊缝环向分布,部分管头部 位存在纵向裂纹。 壳程介质带有液相,设备在运行中经常从排污 口排液。 2 检验 (1)材质 取开裂部位的管头母材和焊缝材质 进行化学成分分析,结果表明,换热管材质成分与文 献[3]中0Cr18Ni9相符。根据设备制造资料,管头 焊接采用E308-15,焊缝金属成分满足要求,管板材 质与文献[4]中0Cr18Ni9相符,筒体材质与文献 [5]中0Cr18Ni9相符,且均满足ω(C)>0.04%、在 固容状态下使用、在638℃时的屈服下限不小于 98MPa以及常温硬度值不大于187HB等要求。 (2)表面无损检测 对膨胀节内外表面进行 PT检测,除焊缝外,其他部位未发现表面裂纹。筒 体可接触到的内外表面PT检测未发现表面裂纹。 热端管板PT检测发现孔桥开裂超过10%。 (3)金相分析 在开裂部位取样,样品氧化严 重,表面呈铁褐色。经检验母材组织为奥氏体+晶 界碳化物,局部存在形变马氏体(图3)。焊缝组织 为奥氏体+晶界碳化物,热影响区为奥氏体+δ铁 素体+碳化物。焊缝显微硬度220~240Hv、热影 响区显微硬度220~231Hv、母材显微硬度235~ 265Hv、断口显微硬度290~310Hv。 断口剖面可见断口边缘母材存在增碳现象,奥 氏体内和晶界上有碳化物析出,表面存在氧化特征, 连续的氧化物层深度0.3mm(图4),存在二次裂纹, 二次裂纹呈沿晶和穿晶混合特征,裂纹内存在腐蚀 产物。 (4)断口分析 断口宏观特征为断面粗糙,无塑 性变形,无壁厚减薄,断裂面无金属光泽,存在腐蚀 产物。管子与管板角焊缝在管程和壳程侧均有起 裂,裂纹沿焊缝热影响区开裂,大部分裂纹扩展区与管子表面呈45°,管子纵向裂纹从内壁表面起裂。 微观形貌显示管子与管板角焊缝裂纹断口和管 子轴向裂纹断口的断裂微观特征基本相同,裂纹为穿晶和沿晶混合扩展特征,断口上存在较多的二次 裂纹和腐蚀产物。 (5)腐蚀产物成分分析 取断口附近的腐蚀产 物进行X-ray成分分析,结果见表1,腐蚀产物中含 有Si、S、Cl、Ca、K、Fe、Cr、Ni,其中主要成分为 K2CO3和硫酸盐,ω(Cl)>1%。 3 结果分析 断口金相和形貌表明换热管与管板焊缝开裂为 氯化物应力腐蚀开裂。 部分管孔发生椭圆变形、断口附近材料金相组 织存在形变马氏体,反映出该部位存在极大的应力。 裂纹扩展区与管子表面呈45°,表明该应力是导致 应力腐蚀开裂的主要原因。 管板和换热管均选用碳质量分数(ω(C)> 0.04%)较高的材料,满足对材料的高温力学性能的 要求,但碳质量分数升高,必然加剧材料高温敏化倾 向[6],所以开裂部位组织晶界碳化物析出严重,硬度 升高,材料抗应力腐蚀性能也将明显下降。 腐蚀产物分析结果表明其中含有大量的Cl-元 素,裂纹从管程和壳程两侧均有起裂,说明管程和壳 程介质都含有液相水和Cl-。液相水是在设备开停 过程中产生的,说明设备开停的低温过程是导致开 裂的主要过程。 18-8型奥氏体不锈钢通常在大气中能承受800 ℃的高温氧化,氧化膜主要成分为铁铬尖晶石 (FeCr2O4),结构比较致密。但该换热器管子表面 氧化严重且氧化物疏松,说明介质中含有水蒸气,因 为在高温下水蒸气的存在阻碍了不锈钢表面Cr2O3 保护膜的稳定成长,也导致内层氧化铁层的形成。 该换热器冷端采用的是滑动支撑,但支座还是 发生了较大的水平位移,支座焊缝开裂、筒体呈波浪 状变形、膨胀节变形、管板外突以及管头焊缝断裂后 管子伸出管板等情况说明换热管与壳体间的热膨胀 差没有被完全吸收,从而导致换热管与管板焊缝承受了过大应力。 4 结论 (1)管头焊缝焊缝开裂为氯化物应力腐蚀开裂。 (2)在高温和高应力作用下材料出现了严重敏化和形变马氏体,使其抗应力腐蚀能力恶化。 (3)换热管与筒体间的热膨胀差导致该接头存 在较大的应力和介质中的氯离子是导致应力腐蚀的 主要原因。 参考文献: [1] 赵 维,吴 刚,罗 弘,等.乙苯气-反应混合气换热器开裂分 析及改进[J].石油化工设备,2004,33(4):71-72. [2] GB151-1999,管壳式换热器[S]. [3] GB13296-2007,锅炉、换热器用不锈钢无缝钢管[S]. [4] JB4728-2000,压力容器用不锈钢锻件[S]. [5] GB/T4237-2007,不锈钢热轧钢板和钢带[S]. [6] 肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京:冶金工业出版社, 1983:216-237. (杜编) |
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