螺旋板式換熱器失效分析

發(fā)布時間：2009-12-6 瀏覽：2811

       吳學綱,張玉福,鐘彥平,郭志軍,劉躍軍,張曉松摘要:通過對開裂的螺旋板換熱器進行分析檢驗認為,介質(zhì)中大量的Cl -和Fe3 +導致不銹鋼發(fā)生應力腐蝕開裂是換熱器失效的主要原因。關鍵詞:板式換熱器;不銹鋼;應力腐蝕;失效

　　螺旋板式換熱器是一種高效換熱設備,目前在各個領域內(nèi)已得到廣泛使用。某公司1臺換熱面積為200 m2的螺旋板式換熱器,投入運行僅18 d就發(fā)生了泄漏,泄漏主要發(fā)生螺旋板焊縫上。該換熱器制造材料為1Cr18Ni9Ti ,其工藝操作參數(shù):熱側(cè)介質(zhì)為轉(zhuǎn)換反應氣(其中含CO、CO2、H2、H2S、水蒸氣和甲醇) ,進口溫度240℃,出口溫度90～100℃,最高工作壓力1. 2MPa ;冷側(cè)介質(zhì)為甲醇、水和CO2 ,進口溫度30℃,出口溫度160～165℃。文中對泄漏原因進行分析并提出了預防措施。

　　1 　檢驗

　　對設備底部螺旋板外側(cè)3圈焊縫、螺旋板及其焊縫進行化學成分、金相組織及斷口檢驗,對設備上部螺旋板外圈一層的螺旋板焊接接頭及其母材進行金相組織和斷口檢驗,對熱側(cè)進口處外筒體母材進行金相組織檢驗,對螺旋板與外筒體連接部位的堵板進行化學成分、金相組織檢驗,對換熱器冷側(cè)出口和進口的腐蝕產(chǎn)物進行化學成分分析和金相組織檢驗,對冷側(cè)液體進行水樣分析。1. 1 　宏觀檢驗

　　裂紋分布在換熱器的兩端,以底部外側(cè)最為嚴重,裂紋走向為橫向。解剖換熱器后,發(fā)現(xiàn)在螺旋板的兩端約70 mm范圍內(nèi)有長度達50 mm的穿透性縱向裂紋,堵板上有不規(guī)則走向的較淺裂紋和點蝕痕跡。見圖1和圖2。

 

　　1. 2 　材料成分分析

　　對螺旋板、堵板等材料進行化學成分分析,其結(jié)果與標準中1Cr18Ni9Ti的成分相符。1. 3 　金相分析

　　對螺旋板換熱器各部位進行金相檢驗,發(fā)現(xiàn)外筒體板材心部有帶狀分布的TiN(圖3) ,堵板金相組織為奧氏體+馬氏體+帶狀分布的鐵素體(圖4)。分析可知:①螺旋板換熱器外筒體母材組織中TiN和Ti (CN)的出現(xiàn)表明該材料的冶金質(zhì)量差,當TiN以夾雜物的形式出現(xiàn)并以鏈狀分布時對材料的抗蝕性是有害的,易造成材料開裂[1 ]。②1Cr18Ni9Ti的冷變形強化效應較大,堵板組織中馬氏體的存在就是變形強化的結(jié)果,這會導致材料的內(nèi)應力增加,奧氏體組織的穩(wěn)定性降低,對應力腐蝕敏感,尤其是在低于其屈服強度的應力條件下應力腐蝕開裂的敏感性增加。

　　1. 4 　斷口分析

　　對設備底部螺旋板外圈3層焊縫的試樣(包括螺旋板及其焊縫熱影響區(qū))的裂紋斷口進行分析。斷口特征有以下共同點:①斷面沒有宏觀塑性變形,粗糙,無金屬光澤,有腐蝕產(chǎn)物,表面起裂。裂紋穿晶擴展呈樹枝分叉狀,見圖5。起裂都發(fā)生在與冷介質(zhì)接觸的一側(cè),在冷側(cè)流道的母材、焊縫附近發(fā)現(xiàn)大量未穿透裂紋,而熱側(cè)流道的裂紋均為穿透性。證明裂紋起始于冷側(cè),向熱側(cè)發(fā)展。②斷裂擴展形貌主要是解理河流、臺階和二次裂紋,見圖6。③螺旋板式換熱器多處零部件發(fā)生開裂,分析認為,這些開裂的部位不僅與冷介質(zhì)接觸而且存在應力。其中,應力主要是焊接殘余應力和冷加工形變應力。微觀斷口形貌顯示了應力腐蝕破壞的特征。

　　1. 5 　產(chǎn)物及介質(zhì)

　　對冷側(cè)出口、冷側(cè)進口垢物進行X射線成分分析,發(fā)現(xiàn)垢物中的主要元素為Fe和O。在冷側(cè)出口,Fe和O的質(zhì)量分數(shù)分別為67. 99 %和11. 95 % ,在熱側(cè)進口, Fe和O的質(zhì)量分數(shù)分別81. 82 %和13. 28 %。對斷口產(chǎn)物進行X射線結(jié)構分析表明,斷口產(chǎn)物中含有大量的FeS ,估計這主要是換熱器內(nèi)部鋼板和焊縫上產(chǎn)生的裂紋穿透后,熱側(cè)介質(zhì)中的H2S與斷口金屬反應的產(chǎn)物。冷側(cè)介質(zhì)的pH值為4. 87 ,其中Cl -和Fe3 +的質(zhì)量濃度分別為71 mg/ L和101 mg/ L ,經(jīng)X射線結(jié)構分析可知,冷側(cè)進口介質(zhì)中主要是Fe2O3 ,而冷側(cè)出口介質(zhì)中則含有Fe2O3、Fe3O4、碳以及鈣、鎂碳酸鹽。

　　2 　失效原因分析

　　從現(xiàn)有試樣的分析結(jié)果和該設備的運行情況看,裂紋起始于螺旋板的冷側(cè),裂紋穿透后熱側(cè)介質(zhì)串入冷側(cè),熱側(cè)介質(zhì)中的硫化氫對腐蝕起了促進作用,裂紋性質(zhì)符合1Cr18Ni9Ti在含Cl -介質(zhì)中高溫下(大于50℃)應力腐蝕開裂的特點。因此,該螺旋板式換熱器的泄漏失效是典型的Cl -引起的應力腐蝕開裂所致。

　　冷側(cè)介質(zhì)中存在的大量Cl -和Fe3 +可以導致1Cr18Ni9Ti發(fā)生應力腐蝕開裂,在大于80℃時,介質(zhì)中大量的Fe3 +縮短了不銹鋼在Cl -介質(zhì)中發(fā)生應力腐蝕的誘導期,對開裂起強烈的促進作用[2 ]。這是導致?lián)Q熱器過早失效的主要原因。

　　螺旋板筒體母材金相組織中呈帶狀聚集分布的TiN對材料的抗蝕性有很大的影響,容易造成材料的開裂。而堵板組織中的馬氏體可以使材料的內(nèi)應力增加,奧氏體組織的穩(wěn)定性降低,對應力腐蝕極為敏感。

　　環(huán)境、材料和力學因素(靜態(tài)拉伸應力)是材料產(chǎn)生應力腐蝕斷裂的3個基本條件,對于Cr2Ni奧氏體不銹鋼來說,能引起應力腐蝕開裂的常見特定介質(zhì)有氯化物、氫氧化物和連多硫酸等,較典型的就是Cl -引起的應力腐蝕開裂,已有的研究結(jié)果證明,對于Cr2Ni不銹鋼,水中所含Cl -的質(zhì)量濃度在0. 2～10 mg/ L即可導致材料斷裂。此外,氧化性的金屬離子是強烈的致點蝕劑,金屬表面的點蝕坑可造成局部應力集中,點蝕坑內(nèi)可形成閉塞區(qū),使該處的pH值下降和Cl -富集,提供了有利于應力腐蝕裂紋的成核和擴展的介質(zhì)———應力條件。H2S和O2的存在,在一定的條件下可促進敏化態(tài)的不銹鋼產(chǎn)生應力腐蝕開裂。螺旋板式換熱器的兩端具有縫隙結(jié)構,縫隙結(jié)構也是導致不銹鋼發(fā)生應力腐蝕的重要裂紋源[3 ] ,其影響與點蝕相似。此外,pH值和溫度對應力腐蝕斷裂的敏感性也有影響,試驗和實踐證明,對于固溶態(tài)和敏化態(tài)的1828型不銹鋼,pH值為4時都有一個敏感峰值[2 ]。在22 %的NaCl中,1828型不銹鋼的裂紋擴展速度從室溫的10 - 10 m/ s加速到140℃的10 - 7m/ s[2 ] ,隨溫度的升高,1828型不銹鋼的孔蝕數(shù)目也增加[4 ]。對應于該螺旋板式換熱器的實際使用情況,其開裂部位大多位于溫度高于80℃的區(qū)域,且溫度越高開裂越嚴重。

　　焊縫區(qū)通常具有接近屈服點的殘余應力[3 ] ,因此,該換熱器的螺旋板兩端有很大的周向焊接殘余應力。近縫區(qū)母材的金相組織劣化使這些部位的抗應力腐蝕能力下降,表現(xiàn)為應力腐蝕裂紋主要是近縫區(qū)的橫向裂紋,裂紋向母材和焊縫方向發(fā)展,并穿透整個板材。由于螺旋板兩端焊縫的徑向收縮作用,使螺旋板的兩端母材承受了較大的彎曲應力,表現(xiàn)為該處母材多處發(fā)生穿透性縱向裂紋。

　　綜上所述,該螺旋板式換熱器的焊縫裂紋為應力腐蝕開裂,介質(zhì)中的Fe3 +和H2S等對加速應力腐蝕裂紋的形核和裂紋擴展起了促進作用。

　　3 　預防措施及應用效果

　　①Cl -主要來源于原料液中的水,對工藝用水進行預處理,使其Cl -質(zhì)量濃度小于25 mg/ L ,同時控制水中鈣、鎂離子的質(zhì)量濃度,做好實時監(jiān)測。②Fe3 +可能為前段工藝設備腐蝕帶入,應采取相應措施加以控制,盡可能降低其質(zhì)量濃度。③改善焊接工藝,消除因焊接引起的殘余應力。

　　該公司在制造和使用過程中采取以上預防措施后,更換后的同類換熱器從2002年使用至今未發(fā)生泄漏。