现代化再沸器换热管腐蚀失效分析

现代化再沸器换热管腐蚀失效分析
摘要通过对换热管的失效件进行宏观分析，成分测试，硬度测试，金相分析，扫描电镜和能谱分析，结果显示再沸器换热管的腐蚀产物中含有Cl、S等元素，而Cl-、S2-是引起奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的敏感介质离子，其失效属于典型的应力腐蚀，其原因与换热器所处的交变、高温、含氯工作环境有关。

关键词再沸器；腐蚀；换热管；失效分析；不锈钢
1 基本情况
某单位脱烃塔再沸器，运行参数为壳程运行压力0.40MPa，运行温度200℃，介质为低压蒸汽；管程运行压力0.30MPa ，运行温度100～150℃，介质为高沸物（含SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、HCl等），使用过程中经常出现换热管泄露问题，需频繁更换设备以保证连续运行的需要，其更换情况为：原换热管用Q345R，4个月换2台设备，后来换热管材质改用白钢，6个月腐蚀透。

使用单位委托我单位分析换热管的腐蚀原因，经查询相关文献[1-5]，结合设备使用实际，对典型换热管取样分析如下[1]。

2 宏观形貌检查
本次送检换热管试样，具体形貌如图1所示：试样内外表面均严重腐蚀，出现大片的腐蚀坑。

3 化学成分检测
对换热管取样，进行常规5元素（C，Si，Mn，S，P）及Cr，Ni，Mo的化学分析。

结果如表2所示。

根据GB/T 20878-2007，该成份对应不锈钢牌号为022Cr17Ni12Mo2，即美国牌号316L不锈钢。

4 硬度检查
对换热管进行硬度测试，结果如下表所示：
参照相关规定，316L不锈钢（对应国内牌号022Cr17Ni12Mo2）的硬度应≤200HV。

硬度测试结果如上表所示，平均值约为160.91HV，满足要求[2]。

5 金相组织检查
换热管线切割后，经打磨、抛光，并经王水腐蚀，结果如图所示。

图2为抛光后未经腐蚀情况，图3为换热管表面情况，图4为腐蚀后金相组织。

其基体组
织为奥氏体。

从图2、图3、图4可以看出，换热管腐蚀是非均匀腐蚀，内外表面坑洼不平、腐蚀严重，同时靠近内表面的部位产生大量腐蚀裂纹，垂直于表面并呈树枝状分叉。

裂纹形貌呈沿晶和穿晶混合特征，裂纹周围组织无显著区别，仍为奥氏体组织。

所以其产生裂纹的主要原因是应力和腐蚀介质的共同作用。

同时，部分晶粒中存在一定的孿晶，这有利于应力腐蚀裂纹的产生和扩展。

此外，一些晶粒表面还可看到点状腐蚀坑。

奥氏体不锈钢管在交变高温含氯的介质中工作，对氧化膜有破坏作用，易产生应力腐蚀。

6 扫描电镜和能谱分析
6.1 扫描电镜
图5为换热管断口的扫面电镜照片。

扫描电镜照片显示，断口表面有大量的腐蚀坑，并已被蓬松多孔的腐蚀产物覆盖，腐蚀产物表面有次生裂纹。

6.2 能谱测试
能谱测试结果显示，断口表面腐蚀产物中存在Cl、S等元素。

而Cl-、S2-是引起奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的敏感介质离子。

7 结论及建议
（1）化学成分测试显示，该换热管为316L不锈钢；
金相检测结果表明，换热管为典型的应力腐蚀，其原因与换热器工作所处的交变、高温、含氯环境有关；
（2）扫描电镜及能谱测试结果表明，腐蚀产物中含有Cl、S等元素。

而Cl-、S2-是引起奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的敏感介质离子。

（3）在化工设备中解决应力腐蚀问题，最切实有效的方法是采用抗应力腐蚀不锈钢。

如采用高镍稳定型奥氏体不锈钢00Cr25Ni20（Nb）、00Cr20Ni18Mo6CuN、00Cr27Ni31Mo3C等和双相不锈钢00Cr22Ni5Mo3N、00Cr18Ni5Mo3Si2（3RE60）等。

在应力腐蚀条件下用双相不锈钢取代304L、316L 等奥氏体不锈钢是较好的选择。

参考文献
[1] 胡钢，许淳淳，张新生，等.冷加工对304不锈钢孔蚀敏感性的影响[J].中国腐蚀与防护学报，2002，22（4）：198-201.
[2] 侯东坡，宋仁伯，项建英，等.固溶处理对316L不锈钢组织和性能的影响[J].材料热处理学报，2010，31（12）：61-65.。