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熱器管口裂紋產生的原因及控制措施

點擊:1226 日期:[ 2014-04-26 22:06:21 ]
                                  熱器管口裂紋產生的原因及控制措施                                       李慶德 李國宋 張紅衛 隋如冰                                   中石化河南油田油建工程建設有限公司     【摘 要 】從具體的實際例證入手,對不銹鋼換熱器管口裂紋產生的原因進行了檢測和分析,根據結果闡述了造成管口裂紋的原因,并提出了避免裂紋產生的改進措施。    【關鍵詞】換熱器管口 裂紋 原因及控制     某廠的不銹鋼換熱器,在使用一年多時間后,管口處相繼產生貫穿性裂紋, 影響了工廠的日常生產,醞釀著嚴重的安全隱患。裂紋從管口脹接處開始,逐漸向另一管孔延伸,管口的交界處有銹狀物包裹,剝去包裹物后用肉眼觀察可見管 孔周邊存在多條裂紋,裂紋總長600mm以上為找到裂紋產生的原因并提出相應的改進措施,對管板材質化學成分、斷口形貌、介質環境、腐蝕產物、金相組織等進行了分析,綜合分析裂紋的成因。    一、檢驗分析    1、管口材料成分分析    對管口取樣進行化學成分分析,并與標準 GB4237《不銹鋼熱軋鋼板》中1Cr18Ni9Ti成分對照,分析結果表明,實際材質與國標材質對比, Ti含量明顯不足,C含量略偏高,管口材質實際接近1Cr18Ni9,而不是 1Crl8Ni9Ti。     2、介質環境分析     換熱器所用的蒸汽來自于本廠的循環工業用水,加熱后使用。實地對換熱器的介質即加熱蒸汽的凝結水和機油采樣送檢,水汽分析結果表明,蒸汽凝結水中 含有較多的Clˉ,這可能與工業水循環過程中混人了Clˉ有關。     3、金相分析     宏觀檢查管口,發現存在寬窄不一 的貫穿性裂紋,裂紋寬度最寬達l.5mm。制取斷口試樣(未破壞斷口形貌),管口大部分金屬已失去光澤, 斷口表現為多臺階、參差不齊的斷口,呈脆性斷裂特征。微觀檢驗觀察試樣拋光面,發現存在多處沿晶裂紋,由粗變細逐漸由外向內擴展;在較粗一頭存在明顯的非金屬夾雜物;同時還發現少數區域存在沿晶分布的非金屬夾雜物。電解侵蝕后,顯微組織特征為:基體為奧氏體,其上分布有較多碳化物顆粒,同時存在碳化物沿晶分布的網狀組織,微觀裂紋是沿著碳化物析出的晶界擴展的,裂紋特征符合晶間腐蝕(網狀)和應力腐蝕(沿晶)的特征。     4、腐蝕產物分析     對管口孔縫隙間的腐蝕產物取樣,用能量散射X光譜(EDS )進行分析,結果表明,腐蝕產物中主要成分為 Fe,Cr,并有 Clˉ局部富集現象。     二、腐蝕機理分析     1、材質影響     不銹鋼的耐蝕性主要是因為表面有一層鈍化膜,提高了電極電位,可以阻止腐蝕反應發生。而管板材質不良,缺鈦且碳含量偏高,易造成晶界貧鉻現象,產生活態一鈍態微電池。一般的 1Crl8Ni9Ti 中鈦含量為碳含量的 5-10倍,這樣才能起到穩定化作用。但本材質鈦含量過低,而碳含量偏高。若材料在制造或使用過程中經過敏化溫度區,不穩定的碳容易在晶界消耗大量的鉻形成碳化鉻析出,內部的碳向晶界擴散的速度比鉻快,晶界的鉻得不到補充致使晶界出現貧鉻區(即敏化),形成不了鈍化膜,使晶界鈍態受到破壞,電極電位下降(陽極、活態),而晶粒本身仍維持鈍態,電位較高(陰極),晶粒與晶界構成活態一鈍態微電池,且具有大陰極一小陽極的面積比,在這種藕合加速 效應的影響下,導致材料晶間腐蝕,同時抗晶間型應力腐蝕的能力也有所下降。     2、介質環境、應力因素     不銹鋼發生應力腐蝕現象較為常見。不銹鋼發生應力腐蝕應具備三個基本條件:敏感的合金(材料 因 素)、靜的拉伸應力(力學因素)和特征介質(環境因素)。      敏感的合金—對1Crl8Ni9Ti而言,在有氯化物、氫氧化物和連多硫酸的介質中, 均能引起應力腐蝕。                               靜的拉伸應力—如果沒有靜的拉伸應力,即使有敏感的合金與特定的介質配合,應力腐蝕也不會發生。在不銹鋼應力腐蝕中起主要作用的是宏觀內應力,即殘余拉應力,而不是微觀內應力。換熱管與管板脹接后,存在脹接應力(殘余拉應力)。       特征介質—特別是溶液中的一些雜質,即所謂特征離子的存在是最為危險的。在 200℃水中僅含 2ppm Clˉ,便可使奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕, 并多數以點蝕、縫隙腐蝕為起源。水汽報告表明,其 Clˉ含量足以在 200- 300℃時使不銹鋼產生晶間型應力腐蝕。EDS 分析結果也表明, 裂紋面內有明顯的 Clˉ局部富集。      3、閉塞電池的形成      由于脹接部位縫隙內溶液處于滯流狀態,氧只能以擴散的方式向縫內傳遞,使縫內的氧耗難以得到補充,從而使縫隙內的陰極反應中止。然而,縫隙內的陽極反應繼續進行,形成一個高濃度金屬正離子溶液的空腔。為保持溶液中性,帶負電荷的陰離子(Clˉ遷移空)腔內,生成的金屬氯化物又發生水解反應,空腔內酸性增加,導致 鈍化膜破裂,使空腔內電極電位下降,形成為陽極,整個外表面形成 為陰極。尤其是 Clˉ可與 H+生成鹽酸,其腐蝕性更強,加速了空腔內的腐蝕速度。由于材質中欽含量不足,也易引起鈍態的活化。隨著腐蝕的 進行及腐蝕產物的沉積,縫隙內形成閉塞電池腐蝕,并在應力和腐蝕的聯合作下,擴展為裂紋向縱深發展。     4、冶金、熱處理因素     金相組織顯示為奧氏體加大量的未溶碳化物,同時存在沿晶分布的網狀碳化物 , 說明該材料未經固溶處理 ,或固溶處理溫度不高 、時間較短,碳化物未充分溶解,合金化程度差。而且,熱處理溫度低,鉻擴散速度減慢,碳化鉻沉淀加快,更加速了貧鉻區的形成,降低 了電極電位。同時,沿晶分布的含鉻碳化物會加劇晶界貧鉻而導致沿晶界的應力腐蝕。    沿晶非金屬夾雜物的存在說明該材料晶粒很粗。粗晶粒的晶間腐蝕傾向大,原因在于粗晶單位體積的晶界面積小,而在給定的敏化條件下產生的碳化物沉淀又是一定的,使粗晶的晶界部位碳化物密度比細晶的大。另一方面,粗大的晶粒有促使加速 M23C6 沉淀的作用,同時沿晶分布的非金屬夾雜物嚴重割裂基體的連續性,降低了材料的強度,非金屬夾雜的尖端極易造成應力集中。     三、結語     管口的材質分析和金相組織分析表明,材質不合要求,導致基體和晶界耐晶間腐蝕和晶間型應力腐蝕的性能下降。介質中的 Clˉ在晶界敏化和殘余應力的共同作用下,引起晶間型應力腐蝕,并且Clˉ在管子管板縫隙內滯流,在殘余應力 、酸性自催化作用下導致縫隙腐蝕;而沿晶的非金屬夾雜物導致應力集中、組織晶粒粗大,也加劇了腐蝕的產生和發展。為防止裂紋產生,可從以下四方面改進:     1、材質控制    嚴格控制材質質量,通過添加穩定化元素或降低碳含量,控制晶界吸附和抑 制晶界沉淀;熱處理溫度 、時間和溫度變化速度必須達到要求,以減少含鉻碳化物的析出,控制晶粒度和細化晶粒,降低產生腐蝕的可能性。     2、結構改進     盡量避免形成閉塞空間,設計時對管板與管子間的縫隙可考慮進行密封處理,建議采用密封焊,焊后進行消除應力處理。      3、工況介質控制      嚴格控制介質中的雜質,特別是Clˉ含量,可通過工藝手段將其控制在引起應力腐蝕的濃度之下。      4、選材考慮     由于1Crl8Ni9Ti中C含量較高 ,將增加不銹鋼對應力腐蝕的敏感性,同時在設備制造過程中經過熱加工或焊接熱循環后,Ti的穩定化作用會下降甚消失,易造成晶界敏化,降低抗晶間腐蝕的性能,故在壓力容器行業,目前已不推薦使用該鋼號。可選用含碳量更低 的Cr- Ni奧氏體不銹鋼,如 OCrl8NilOTi 鋼 、OCrl8NillNb鋼或超低碳不銹鋼OOCrl9Ni10 鋼等,以降低晶界敏化的危害性 。也可考慮采用復相不銹鋼,以降低不銹鋼對氯離子應力腐蝕破裂的敏感性。     參考文獻     [1]換熱器設計手冊,錢頌文編著,化學工業出版社,2004年08月     [2]石油化工廠設備檢修手冊·換熱器,徐鋼編著,中國石化出版社,2007年01月
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