不锈钢换热管泄漏失效的原因_刘海波.pdf

失效分析D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 1 6不锈钢换热管泄漏失效的原因刘海波1,王 君2,王安友1,徐 鑫1,沈赵琴1,蒋达磊1(1.浙江国检检测技术股份有限公司,海盐 3 1 4 3 0 0;2.海盐县三地自来水有限公司,海盐 3 1 4 3 0 0)摘 要:某化工企业多台管壳式换热器在服役34 a后陆续发生泄漏,拆卸后检查发现换热器内部大量3 0 4不锈钢换热管存在开裂或穿孔现象。通过宏观形貌分析,扫描电镜及能谱分析,金相检测,化学成分分析、晶间腐蚀试验、残余应力测试等手段对不锈钢管失效原因进行分析。结果表明:换热管出现穿孔和开裂失效的主要原因是材料发生了晶间腐蚀及应力腐蚀。换热管材料3 0 4不锈钢具有晶间腐蚀敏感性,换热管内外壁都存在明显的残余拉应力,且介质中存在S、C l等腐蚀性元素,换热管材料同时具备以上3种应力腐蚀开裂的必要条件而发生应力腐蚀开裂。关键词:3 0 4不锈钢管;孔洞;裂纹;晶间腐蚀;应力腐蚀中图分类号:T G 1 7 2 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 9 4-0 7R e a s o n s f o r L e a k a g e F a i l u r e o f S t a i n l e s s S t e e l H e a t E x c h a n g e T u b e sL I UH a i b o1,WANG J u n2,WANG A n y o u1,XU X i n1,S HE N Z h a o q i n1,J I ANG D a l e i1(1.Z h e j i a n g N a t i o n a l I n s p e c t i o n a n d T e s t i n g T e c h n o l o g y C o.,L t d.,H a i y a n 3 1 4 3 0 0,C h i n a;2.H a i y a n S a n d i C i t y W a t e r C o.,L t d.,H a i y a n 3 1 4 3 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A n u m b e r o f s h e l l a n d t u b e h e a t e x c h a n g e r s i n a c h e m i c a l e n t e r p r i s e l e a k e d o n e a f t e r a n o t h e r a f t e r 3-4 y e a r s o f s e r v i c e.A f t e r d i s a s s e m b l y,a l a r g e n u m b e r o f 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l h e a t e x c h a n g e t u b e s w e r e f o u n d t o b e c r a c k e d o r p e r f o r a t e d.T h e f a i l u r e r e a s o n s o f s t a i n l e s s s t e e l t u b e s w e r e a n a l y z e d b y m e a n s o f m a c r o s c o p i c m o r p h o l o g y a n a l y s i s,s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y a n d e n e r g y s p e c t r u m a n a l y s i s,m e t a l l o g r a p h i c e x a m i n a t i o n,c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s,i n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o n t e s t a n d r e s i d u a l s t r e s s m e a s u r e m e n t.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t i n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o n a n d s t r e s s c o r r o s i o n w e r e t h e m a i n r e a s o n s f o r t h e c r a c k i n g a n d p e r f o r a t i o n o f t h e h e a t e x c h a n g e t u b e s.T h e h e a t e x c h a n g e t u b e m a t e r i a l 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l w a s s e n s i t i v e t o i n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o n.T h e r e w a s o b v i o u s r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s o n b o t h t h e i n n e r a n d o u t e r w a l l s o f t h e h e a t e x c h a n g e t u b e s.A n d t h e r e w e r e c o r r o s i v e e l e m e n t s s u c h a s S a n d C l i n t h e m e d i u m.S t r e s s c o r r o s i o n c r a c k i n g h a p p e n e d i n t h e h e a t e x c h a n g e t u b e m a t e r i a l d u e t o t h e c o e x i s t a n c e o f t h e a b o v e t h r e e n e c e s s a r y c o n d i t i o n s f o r s t r e s s c o r r o s i o n c r a c k i n g a t t h e s a m e t i m e.K e y w o r d s:3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l t u b e;h o l e;c r a c k;i n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o n;s t r e s s c o r r o s i o n 管壳式换热器作为能量传输的主要设备,在炼油化工装置中被广泛应用,但其结构复杂、所用物料中腐蚀介质多样化且服役环境苛刻,因此在炼化设备发生泄漏比例较高1。某化工企业多台管壳式换热器在服役34 a后陆续发生了泄漏,拆卸后发现换热器内部5 0%以上的3 0 4不锈钢换热管发生了开裂和穿孔。图1为其中一台失效换热器发生开裂和穿孔 的 换 热 管,开 裂 部 位 距 离 端 部 焊 接 位 置4 2 mm,穿孔部位距离焊接位置2 1 5 mm。这两根收稿日期:2 0 2 1-0 3-2 9通信作者:刘海波(1 9 8 7-),本科,工程师,从事紧固件与金属材料失效分析工作,1 5 8 8 8 3 3 1 1 8 7,1 2 4 2 2 6 1 2 3q q.c o m图1 失效换热管的宏观形貌F i g.1 M a c r o m o r p h o l o g y o f f a i l e d h e a t e x c h a n g e t u b e s失效换热管的安装部位如图2中箭头所示,其中穿孔换热管位于“2排-1”,开裂换热管位于“8排-6”。该换热器管程介质为异丙苯过氧化物、异丙苯、脱盐水,壳程介质为过滤水。设备运行时,壳程内热水对49第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3图2 失效换热管的安装位置F i g.2 I n s t a l l a t i o n p o s i t i o n o f f a i l e d h e a t e x c h a n g e t u b e s换热管进行加热,水温约为1 1 0,运行停止时,通冷水(常温)进行冷却。对失效换热管进行了理化检验,并结合服役环境与应力条件分析其失效原因。1 理化检验与结果1.1 宏观检查对失效换热管的内外壁进行宏观检查,结果如图3和图4所示。由图3可见:穿孔换热管外壁的孔洞形状不规则,大小约3.7 mm,孔壁泛白,外壁整体为棕红色;其内壁同样呈现棕红色,内壁上孔洞尺寸明显小于外壁上孔洞尺寸,这说明孔洞是从外壁向内壁逐渐形成的。由图4可见:在开裂换热管外壁上,裂纹方向大致为周向,整体弯曲不连续,存在 分支裂纹,总长度约为2 5mm,外壁整体为棕红(a)外壁(b)内壁图3 穿孔换热管内外壁宏观形貌F i g.3 M a c r o g r a p h s o f e x t e r n a l w a l l(a)a n d i n n e r w a l l(b)o f p e r f o r a t e d h e a t e x c h a n g e t u b e(a)外壁(b)内壁图4 开裂换热管内外壁宏观形貌F i g.4 M a c r o g r a p h s o f e x t e r n a l w a l l(a)a n d i n n e r w a l l(b)o f c r a c k e d h e a t e x c h a n g e t u b e色;其内壁同样呈现棕红色,内壁上裂纹连续性及开口特征比外壁上裂纹更加明显。1.2 电镜观察及能谱分析1.2.1 穿孔换热管采用扫描电镜背散射电子成像模式对穿孔换热管外壁孔洞进行观察,结果如图5和图6所示。在孔洞旁边存在一条长度约2.3 mm的细小周向裂纹,见图5(a),裂纹两侧呈明显的晶粒状特征,见图5(b)。从背散射电子像中还可以看出,孔洞周边成分存在明显的差异,结合表面宏观形貌特征,推断换热管从外壁开始腐蚀,然后从外向内逐层剥离直到穿孔,见图5(c)。同时可以看出,孔洞整体上是沿着裂纹形成,即先有裂纹,再有孔洞。远离孔洞的换热管内壁也具有明显的晶粒状特征,见图6。对孔洞附近表面进行能谱面扫描分析,结果如图7所示。由图7可见,裂纹两侧晶粒状特征明显的区域主要含F e、C r、N i等基体元素,孔边被大量C a、C元素覆盖。面扫区域元素总体成分分析见表1,可见该区域表面主要含C、O、C a、F e等元素,还存在少量S、P元素。将孔洞边缘的裂纹打开,观察裂纹断口微观形貌。结果表明,裂纹断口呈现类解理特征,并存在二次 裂纹和明显的覆盖物,如图8所示。对裂纹断面(a)孔洞(b)周向裂纹(c)孔洞底部图5 穿孔换热管外壁的背散射电子像F i g.5 B S E i m a g e s o f e x t e r n a l w a l l o f p e r f o r a t e d h e a t e x c h a n g e t u b e:(a)h o l e;(b)c i r c u m f e r e n t i a l c r a c