分享：循环油蒸汽发生器换热管断裂原因
卢雪梅,陈梦婷,吴娜荣,李燕娇,王 亮,宋文明
(机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司,上海 201518)
摘 要:某公司循环油蒸汽发生器上部最外侧换热管的中间贴胀部位发生断裂。采用宏观观 察、垢物成分分析、金相检验、硬度测试及扫描电镜分析等方法,分析了该换热管断裂的原因。结果 表明:该换热管断裂的主要原因是碱应力腐蚀;在断裂前,换热管外壁已形成了碱脆裂纹,在轴向拉 应力的作用下,碱脆裂纹快速扩展,最终导致换热管发生断裂。
关键词:循环油蒸汽发生器;换热管;碱应力腐蚀开裂;碱脆裂纹 中图分类号:TB31;TE965 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0040-03
循环油蒸汽发生器是一种重要的换热设备,为 了达到节能目的,可以采用油浆循环的方法来提升 壳程中汽水混合物的温度。在使用过程中,受腐蚀 介质、设备振动、温差以及生产制造过程中出现焊接 和机械胀接不当等因素的影响[1],循环油蒸汽发生 器经常出现换热管断裂的问题,严重影响了设备与 装置的安全、平稳运行,并造成巨大的经济损失,因 此找出循环油蒸汽发生器换热管断裂的原因,对延 长循环油蒸汽发生器的使用寿命至关重要[2]。 某公司循环油蒸汽发生器为“高-低”U 型管螺 纹锁紧环釜式蒸汽发生器,因系统动力电源临时断 电,管程进口侧的增压泵停车,设备壳体温度、压力 和液位急剧升高,紧急放散装置发生超压泄漏,排放 出大量的油气和蒸汽,拆解发现有换热管发生断裂。 笔者采用宏观观察、垢物成分分析、金相检验、硬度 测试及扫描电镜分析等方法,分析了该换热管断裂 的原因,以避免该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
对断裂换热管进行宏观观察,结果如图1所示。 由图1可见:管束上部最外侧1根换热管的中间贴 胀部位发生环向断裂,且断裂后的换热管在高压流 体的作用下向后退缩变形。
1.2 金相检验
在断裂换热管截面处取样进行金相检验,结果 如图2所示。由图2可知:换热管的显微组织为奥 氏体+析出相,析出相呈点状、链状分布,组织正常。
断裂换热管裂纹处的微观形貌如图3所示,可 见裂纹断裂方向从外向内,呈沿晶、穿晶混合断裂, 在裂纹扩展区局部区域有晶粒脱落。
1.3 硬度测试
分别对该断裂换热管段的未胀接区、胀接区和 过渡区进行硬度测试,结果如图4所示,可见管段未 胀接区的硬度符合 GB/T4340.2—2012 《金属材料 维氏硬度试验 第2部分:硬度计的检验与校准》的 要求,胀接区和过渡区的硬度比未胀接区的硬度高, 说明胀接区和过渡区管壁的应力比未胀接区管壁的 应力大。
1.4 扫描电镜(SEM)分析
对断裂换热管断口处进行 SEM 分析,结果如 图5所示。由图5可知:换热管启裂区、裂纹扩展区 及裂纹尖端均呈沿晶开裂特征,断面呈块状,并可见 二次裂纹,晶面附着有颗粒状垢物。 图4 断裂换热管段未胀接区、胀接区和过渡区的硬度测试结果
1.5 垢物成分分析
在同一根断裂换热管上取3个试样进行垢物成 分分析,并编号为1 # ,2 # ,3 # 试样。其中1 # 试样垢 物 成分取自管板壳程侧断裂面,断面位置与胀接过渡区较近;2 # 试样垢物成分取自近管板侧新鲜断裂 面(裂纹手动打开面);3 # 试样垢物成分取自近管板 侧断裂面,断面位置与胀接过渡区较近。采用能谱 仪对1 # ~3 # 试样进行垢物成分分析,结果如图 6 所示,可见3个试样均主要含有 C,O,Cr和Fe等元 素,其中2 # 试样中含有 Na,P元素,Na元素的质量 分数为4.73%
2 综合分析
综合上述结果可知,该断裂换热管的硬度和显 微组织均无异常。裂纹起始于换热管外壁,从外向 内扩展,裂纹在扩展过程中以沿晶+穿晶混合开裂 特征为主,并有晶粒脱落。断口的启裂区、扩展区、 裂纹尖端均呈沿晶开裂特征,断面呈块状,并可见沿 晶二次裂纹,晶面附着有颗粒状垢物,这个特征与裂 纹的微观形貌相吻合,符合碱性溶液中的沿晶应力 腐蚀开裂特征[3-4]。 循环油蒸汽发生器换热管的接触介质是除氧水 和蒸汽,正常情况下含有一定量的磷酸盐、碳酸氢 盐、碳酸 和 二 氧 化 碳。在 换 热 管 操 作 温 度 (104~ 275 ℃)下,换 热 管 发 生 水 解 反 应 生 成 了 OH - , OH - 与 换 热 管 内 水 中 的 Na + 结 合 成 游 离 的 NaOH [5],导致碱浓 度 升 高,在 胀 管 等 有 缝 隙 的 地 方,碱液发生富集、浓缩。该换热管服役时温度较 高,加剧了介质中离子的运动,且温度越高,发生碱 脆所需的 浓 度 越 低,发 生 应 力 腐 蚀 断 裂 的 趋 势 越 大[6-7]。研究表明,金属及合金材料在碱性溶液中, 拉应力和腐蚀介质会导致碱脆[8-9],碱浓度越高,材 料的断裂敏感性越大[10]。 在104~275℃的服役温度下,随着水解反应的 进行,换热管胀管缝隙位置的碱浓度不断升高,在应 力作用下,形成了碱脆发生的特定条件。随着缝隙 位置碱液的富集、浓缩,换热管表面形成了细小裂 纹,碱液也在裂纹处聚集。在碱浓度较高的条件下, 裂纹尖端成为阳极反应区,并在轴向应力的作用下, 裂纹迅速扩展,最终导致换热管发生断裂。
3 结论与建议
循环油蒸汽发生器换热器发生了碱应力腐蚀断 裂。可以采用阴极保护、表面喷漆等防护方法对应 力腐蚀进行控制,并控制装置开工、停工的速率,以 减少因温差而产生的断裂。
来源：材料与测试网
