對哈氏合金U形管換熱器頻繁出現(xiàn)的腐蝕斷裂問題,從材質(zhì)、運(yùn)行工況等方面進(jìn)行了分析 采取了更換材質(zhì)等防腐技術(shù)措施,收到了很好效果。
關(guān)鍵詞：U形管換熱器;哈氏合金;腐蝕;斷裂
中圖分類號：TQ 051.501; TQ 050.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B
哈氏合金是美國Haynes International公司 N10665鋼的商業(yè)名稱,它具有良好的耐鹽酸、醋酸、硫 酸等還原性介質(zhì)或氧化性介質(zhì)的耐蝕性能[1],這種以 鎳鉬為基礎(chǔ)的合金具有強(qiáng)度高、延性好、硬度高和易 被加工硬化的特性。因此,在化工行業(yè)中得到廣泛地 應(yīng)用。但是某公司石油樹脂廠一臺U形管換熱器在 使用這種材質(zhì)時(shí)卻出現(xiàn)了頻繁腐蝕開裂問題。
該U形管換熱器（以下稱H-601 U形管換熱 器）使用的材質(zhì)是美國進(jìn)口哈氏合***號 N10665）,于2003年3月投用,使用僅6個(gè)月就在 換熱管煨彎處發(fā)生腐蝕開裂,導(dǎo)致裝置停工。臨時(shí) 用316L不銹鋼鋼管替換,僅使用3 d也在煨彎段出 現(xiàn)開裂。
為防止類似事故的發(fā)生,筆者從材料化學(xué)成分、 宏觀斷口特征以及運(yùn)行工況等方面著手,對H- 601U形管換熱器斷裂原因進(jìn)行了分析,并提出相 應(yīng)的解決方法。
1 設(shè)備簡介
頻繁發(fā)生腐蝕開裂問題的H-601U形管式換熱 器的換熱管規(guī)格為Φ19 mm×2 mm。換熱器的管 程介質(zhì)為樹脂液,入口溫度為100℃,出口溫度為 280℃,管程工作壓力為1.7 MPa。殼程介質(zhì)為導(dǎo) 熱油,入口溫度為330℃,出口溫度為310℃,殼程 工作壓力為0.8 MPa。
H-601U形管換熱器哈氏合金U形換熱管煨彎段開裂部位示意圖見圖1?，F(xiàn)場檢查表明,管束直管段無明顯減薄現(xiàn)象,個(gè)別列管在U形彎段出現(xiàn)開裂,裂紋走向?yàn)閺较?裂口附近沒有減薄現(xiàn)象,管束列管沒有發(fā)現(xiàn)局部脹粗和鼓包現(xiàn)象。
2 失效分析
2.1 換熱管材質(zhì)分析
原換熱管所用的材質(zhì)為N10665（國際鋼鐵牌 號,標(biāo)準(zhǔn)UNS）的鎳基NibMo合金,其化學(xué)成分見 表1。
表1牌號N10665的哈氏合金化學(xué)成分 %
換熱管所用的材質(zhì)為哈氏合金,是鎳基耐蝕合 金（w（Ni）≥50%）,其金相組織、物理性能和耐腐蝕 性能介于不銹鋼和純鎳之間,屬于奧氏體結(jié)構(gòu)金 屬[2]。因此,由奧氏體不銹鋼的腐蝕特性知,哈氏合 金鋼在氧化性介質(zhì)中可能存在晶間腐蝕、在有氯離 子的介質(zhì)環(huán)境中也容易引起應(yīng)力腐蝕。
2.2 介質(zhì)分析
H-601U形管換熱器管程介質(zhì)為聚合反應(yīng)后經(jīng) 堿洗和水洗的樹脂液,對腐蝕介質(zhì)成分進(jìn)行取樣分 析,檢驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可見,樹脂液中氯離子 的質(zhì)量濃度達(dá)80~130 mg/L、硫元素的質(zhì)量濃度為 17~33 mg/L。
根據(jù)文獻(xiàn)[3],奧氏體不銹鋼發(fā)生氯離子導(dǎo)致的 應(yīng)力腐蝕開裂的溫度敏感區(qū)一般是150~280℃,在 這一溫度區(qū)域內(nèi),氯離子質(zhì)量濃度很小就可以引起 奧氏體結(jié)構(gòu)的晶間腐蝕而導(dǎo)致腐蝕開裂[4]。H-601 U形管換熱器管束部件的工作溫度大體在100~ 190℃,有部分區(qū)域正處于容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂 的溫度區(qū)間。
2.3 應(yīng)力的影響
H-601 U形管換熱器管束的應(yīng)力來源主要有: ①從操作條件上看,管程介質(zhì)（樹脂液）入口溫度 100℃,出口溫度280℃,進(jìn)、出口溫差較大,導(dǎo)致進(jìn) 料段和出料段的管子的膨脹和自由伸長量不同。然 而兩者又是通過管板剛性地連接在一起,因此,進(jìn)料 段和出料段的管子會由于伸長量的不同產(chǎn)生相互作 用力,即產(chǎn)生溫差應(yīng)力。從結(jié)構(gòu)上來看,管板是固定 端,管束煨彎段是自由端。當(dāng)產(chǎn)生溫差應(yīng)力時(shí),應(yīng)力 會集中在自由端的換熱管上。②換熱管的彎曲半徑 過小,*小處僅4 cm,有結(jié)構(gòu)形式上的突變,產(chǎn)生的 應(yīng)力不能均勻分布,也得不到緩解乃至消除,這使得 煨彎處的局部應(yīng)力值急劇升高,在設(shè)備運(yùn)作過程中 產(chǎn)生的各種應(yīng)力就會集中在U形換熱管煨彎段造 成應(yīng)力集中。集中的應(yīng)力是金屬構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕 斷裂的一個(gè)重要誘因。
2.4 腐蝕開裂原因
綜合以上分析,換熱管材質(zhì)哈氏合金和316 L 工作的介質(zhì)環(huán)境、溫度環(huán)境具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的 條件,而U形換熱管煨彎段的應(yīng)力集中是個(gè)別U形 換熱管煨彎段發(fā)生開裂的重要誘因。
3 改進(jìn)措施及效果
根據(jù)以上分析,更換換熱器管束材質(zhì)成為**, 考慮原H-601 U形管換熱器換熱面積僅32 m2,由 于換熱面積較小,管束U形彎處沖刷腐蝕較為嚴(yán) 重。因此,根據(jù)H-601 U形管換熱器腐蝕現(xiàn)狀及實(shí) 驗(yàn)室選材試驗(yàn)結(jié)果,通過適當(dāng)增大換熱器尺寸以增 加換熱面積來減小對管束煨彎段的沖刷。
新更換的H-601U形管換熱器管束材質(zhì)選用 20#鋼制作,換熱面積增大至為50 m2,防腐措施也 于裝置檢修時(shí)實(shí)施。目前,新安裝的20鋼H-601 換熱器管束已運(yùn)行近1 a時(shí)間,未發(fā)現(xiàn)有泄漏現(xiàn)象, 運(yùn)行情況良好,可以滿足設(shè)備長周期運(yùn)行需要。
公安機(jī)關(guān)備案號：
