再沸器中304不锈钢换热管的断裂失效分析

利用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪对立式硅烷塔再沸器的断裂失效不锈钢换热管进行了金相组织分析、宏观及微观形貌观察、化学成分以及结构和运行状况分析,探讨了管材的失效原因和机理。结果表明,不锈钢换热管外介质为导热油和雪油,在未知原因下,有含有氯离子腐蚀性介质引入导热油中,导致304不锈钢换热管出现局部腐蚀和电腐蚀,在氯离子和应力腐蚀作用下开裂。

1引言

某立式硅烷塔再沸器的不锈钢换热管运行半年后出现泄漏,检查发现其中几根不锈钢换热管出现严重裂缝。再沸器的壳程介质导热油—雪油,导热油温度为150~200℃左右,导热油在换热器壳程自下而上流动,壳程上侧设有出口,壳程工作压力为0.3MPa,雪油中的含水量不大于80ppm;管程介质为氯硅烷,介质从管程的下侧入口进入换热器下管箱,并通过每根不锈钢换热管到达上管箱,管程介质温度为100~150℃,管程工作压力为3MPa,介质中不含水。

此失效不锈钢换热管材质为304冷轧无缝管,规格:Φ25×2,固溶后酸洗状态。失效前符合GB13296-2013标准,且使用前已经取样进行了拉伸、压扁、扩口、涡流、超声及水压试验,结果为合格。不锈钢换热管与管板、折流板、壳体等零件进行组装并制造成硅烷塔再沸器,对再沸器进行的水压和气密试验均合格。该设备为整个系统中的重要设备,分析其不锈钢换热管失效的原因对今后工作具有重要指导意义。

2失效管宏观形貌

2.1管材内外表面宏观形貌

对疑似泄漏的不锈钢换热管进行内窥镜分析,发现有5~6根不锈钢换热管出现严重缺陷,取其中两根失效管材,分别为1#2#,并将管材从失效处切割下来,其中1#管材裂纹为贯穿性裂纹,2#管材裂纹较小。观察1#管材外表面,如图1所示,发现有多条肉眼可见裂纹,裂纹长10~20mm,裂纹较为曲折,近似沿轴向分布,通过线切割将管材纵向切割,管材内表面仍有裂纹,裂纹贯穿性分布。图22#管材从裂纹处冷切割下来的裂纹试样区,2#试样外表面有凹坑和黄色物质,裂纹处未出现张口,图2右为2#管材内表面PT渗透后的照片,其内表面有轻微缺陷,但无明显裂纹,说明2#管材的裂纹从外表面开始,还未延伸至内表面。

2.2断口宏观形貌

为进一步分析,将1#试样从表面裂纹处掰断,通过体视显微镜观察断口处形貌,如图3所示,从新旧断口颜色不同来看,断口呈现发黄发黑现象,从裂纹断口来看,原始裂纹从外表面向内贯穿。

3失效管材性能分析

将失效管材在无肉眼可见裂纹处取样,按照GB/T 13296不锈钢换热管标准进行力学、化学检测。

3.1力学性能

失效304不锈钢换热管力学性能如表1所示,抗拉强度、屈服强度和断后伸长率都远高于标准要求,说明失效管的无裂纹区域力学性能合格。

3.2化学成分分析

分析失效不锈钢换热管,其化学成分如表2所示,说明未在裂纹区的材料满足材料标准要求,C含量也在正常范围内。氧氮氢为GB/T 13296标准以外测量的间隙元素含量,通过LECO公司最新的ONH设备,测出的OH含量均很低,说明管材没有大规模的吸氢、吸氧的行为。

4失效不锈钢换热管微观分析

4.1裂纹区域的低倍和金相分析

将裂纹试样的环状截面区域进行磨抛和腐蚀,并在10倍体视显微镜下,观察如图4,环状截面上存在多处向内表面延伸的小裂纹,有些未达到内表面处,在管材内部时裂纹已经停止。观察试样金相(100倍)可以看到,管子裂纹从外表面开始,向内部延伸,裂纹终端较为平滑,不尖锐,裂纹形式为穿晶裂纹。

4.2试样裂纹区的表面与断口分析

在电镜下观察其断口形貌,从50倍电镜下可以看出(见图6(a)),在断口上,仍存在裂纹,从管材外表面为起点,不断向内表面延伸,且移动电镜视野,发现断口处的裂纹不止一条,均为外表面向内表面延伸的裂纹,这说明了在管材处的裂纹源不止一处,而是数个小裂纹汇聚而成。在靠近外表面断口尤其是裂纹附近,有大量颗粒状的异物,靠近内表面时仍然存在,但数量有所减少。

对图像进行放大,见图6(b),然后进行能谱分析,在非异物区,如图6(d),主要元素除了Fe以外,还有CrNiCO,其中CrNi元素与标准以及表面正常区域相比,其元素含量大幅度降低,而CrNi元素主要是耐腐蚀性元素,含量的降低意味着其耐腐蚀性能的大幅下降,而CO元素也比表面正常区域元素含量高,由于此断口为新掰断的断口,受到污染的可能性远低于其外表面,这说明其CO含量的增多更大的原因是受到了腐蚀。在断口异物区进行能谱分析,见图6(c)Cr含量仅为2.2%Ni含量仅为1.2%,耐腐蚀性能极差,且大幅增加了OCCl等元素。因此可判断,断口处是受到了腐蚀,腐蚀后的腐蚀产物主要包含COClFe等元素。

5结论

1304失效管材拉伸性能合格,化学成分合格,且非裂纹区平均氢氧含量较低,管材无大规模吸氢吸氧的情况,管材组织为奥氏体组织。

2)设备运转中,不锈钢换热管材外表面处发生局部腐蚀,表面凹凸不平,将管材从裂纹处掰断,旧裂纹已经基本贯穿不锈钢换热管,不锈钢换热管裂纹从外表面开始,不断延伸到内表面,断口处越靠近外表面,腐蚀产物越多,腐蚀产物中含有FeOCClSiCr等元素。

3)在管材的断口处和环形截面上均存在长短不一的小裂纹,从外表面起始,向内表面进行延伸扩展,多个小裂纹汇集,说明不锈钢换热管的裂纹源不唯一;从金相上看,裂纹为穿晶开裂,裂纹终端不尖锐。

4)从本次失效分析中可以看出,裂纹首先是由管材外表面处引起的,不锈钢换热管外介质为导热油和雪油,在未知原因下,有含有Cl离子腐蚀性介质引入导热油中,导致304不锈钢换热管出现局部腐蚀和点腐蚀,在Cl离子和应力腐蚀作用下开裂。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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