固定管板换热器管板泄露失效分析

来源:兰州理工大学材料科学与工程学院作者:宋文明

固定管板式换热器在运行过程中发生了角焊缝处泄露造成失效,利用光学显微镜、扫描电镜、X 衍射以及化学分析等方法对换热管、管板以及焊缝区进行化学成分、显微组织、腐蚀形貌、腐蚀产物进行了分析。结果表明: 换热管以及管板等化学成分符合标准要求,母材及热影响区为铁素体+ 珠光体,焊缝不同区域出现了马氏体以及贝氏体,裂纹周围管板侧和焊缝区的组织差别较大,焊缝区的应力集中以及壳程介质进入缝隙并在操作工艺条件下浓缩,形成高风险碱应力腐蚀敏感性,最终导致在马氏体或贝氏体含量较高的区域开始萌生裂纹并导致了自焊缝底部开裂向焊缝中心发展的裂纹,进而导致换热器角焊缝泄露。

在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右,固定管板式换热器由两端管板和壳体构成,由于其结构简单,运用比较广泛,在石化装置中应用更是普遍。联合装置加氢反应器出口冷却器就是固定式管板换热器,国内某石化公司的加氢冷却器的最大直径3600 mm,管板直径2800 mm;换热面积1475 m2,管束2145 根。2009 年第一次联合投料试车一次成功,2010 年联合全部完成投料试车。在此期间,有几台出现了管板泄漏问题,制造厂家先后对泄漏点进行了现场补焊处理。随着装置的连续运行,2011 年现场全部设备均再次出现了泄漏,泄露主要集中在换热器管板角焊缝处,经多次补焊后仍存在泄漏现象。

经追踪换热器制造厂家的材质记录及工艺流程表明换热器所用原材料的微观组织、硬度、力学性能层符合相关国家标准及行业标准。最近中石油的一项调查报告表明: 管板式换热器开裂泄露在炼油装置设备中是一个非常严重的问题,以前的研究结果是由于氯离子、硫化物或者其他不纯物质的存在引起应力腐蚀开裂,调查报告还表明,开裂通常起源于管板并在管板内延伸,有研究通过有限元模拟分析认为这种开裂与管板和壳程管界面处的残余接触应力有关,有关此类部件材料在部件运行过程中的组织或力学性能恶化的研究报道并不完全,特别是现场实际运行的设备部件,这些部件的失效小则带来经济的损失,重则甚至会带来人身安全隐患或灾难性事故,因此对此类部件的全面失效分析是非常重要的。

本文就此次泄露失效的固定管板式换热器从宏观失效形貌、泄露开裂的裂纹开裂特征、表面腐蚀状况、微观组织、腐蚀产物成分等进行全方位的理化检验与分析。

1、概况

该换热器为固定管板式换热器,主要有外壳、管板、管束封头等部件构成,在圆形外壳内装入平行的管束,管束两端用焊接方法固定在管板上,装有进口或者出口管的封头用螺栓和外壳两端法兰相连,最大直径为3. 6 m,换热管材质为20G,壳体材质为16MnR,表1 为加氢冷却器的主要技术参数。

表1 加氢冷却器的主要工艺参数

加氢冷却器的主要工艺参数

换热器失效的表观现象为换热管与管板角焊缝处出现泄漏,因此在此区域定有开裂或者裂纹出现,由于此次泄露不仅发生在未补焊过的角焊缝处,补焊过的角焊缝也有泄露,因此取样分别在管板角焊缝未补焊( No. 1 样) 和管板角焊缝补焊处( No. 2 样) 各自取样,对其进行外观的宏观检查,并以泄露处为中心对其周围的组织、硬度、表面腐蚀产物等进行系统的理化检验。

对换热管、管板、焊缝处、热影响区以及裂纹周围的微观组织进行观察分析,并对相应区域进行硬度测试,其测试分析取点示意图如图1,图中序号分别为硬度测试区,对应裂纹编号为打开开裂管板与换热管发现的裂纹对应位置处,换热管和管板处的外表面是否有腐蚀产物、腐蚀形貌以及成分进行分析,换热管和管板的成分分析,对角焊缝处的取样沿其管中心剖开,对其进行4 个剖面8 个观察面进行分析。

失效样品组织及硬度检验区域示意图

图1 失效样品组织及硬度检验区域示意图

3、结论

1) 对发生泄漏的加氢冷却器进行取样分析,发现泄露发生在换热器的换热管与管板连接的角焊缝处,该换热器的管板与换热管的角焊缝曾经泄露而进行补焊处理,此次泄露失效部位包括未补焊过的角焊缝处和补焊过的角焊缝处,裂纹出现在焊缝区,开裂裂纹自焊缝底部开裂并向外发展,裂纹附近管板及换热管发生均匀减薄腐蚀;

2) 通过理化检验分析换热管及管板的化学成分符合相应国家标准,换热管及管板的母材区域及热影响区组织为铁素体+ 珠光体,焊缝区出现了马氏体、贝氏体,特别是补焊处理过的区域出现了上贝氏体,组织不均匀,上贝氏体的性能相比马氏体更脆,导致焊缝区硬度偏高,焊缝区及裂纹周围平均硬度均超过200 HV1,母材和热影响区的硬度无明显变化;

3) 焊缝区本身残存应力集中,再加上碱性壳程介质进入管板与换热器的接触间隙中,在文中所述操作工艺条件下容易导致形成高敏感度碱应力腐蚀条件,在换热管内外及管板表面存在较多的腐蚀产物,裂纹内也存在腐蚀产物,腐蚀产物主要为铁的氧化物及硫化物,在应力及腐蚀性介质同时作用条件下应力腐蚀开裂裂纹微观形貌具有沿晶断裂特征。