套管式换热器失效分析[1]

2 检验分析 2. 1 宏观观察 从中心管样品中选取两根管进行失效分析 ,
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马小明 , 男 , 1962 年 6 月生 , 副教 授。广东 省广州市 , 510640 。
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Cr 24 . 878 24 . 00~ 26. 00 Ni 19. 879 19. 00 ~ 22 . 00
析 , 并提出了相应的对策措施 , 以防止类似事故的重复发生 。 关键词 中图分类号 文献标识码
某厂有多段 VB608 套管式换热器, 该设备以 159mm 5mm 不锈钢管为中心管 , 以 219mm 6mm 的碳钢管为夹套管。中心管由 90 弯管和两 段直管焊接而成。中心管两端的弯管和直管焊接 焊缝处经常发生穿孔导致物料泄漏。笔者对中心 管取样进行了系统的失效分析 , 以确定失效原因, 并提出相关的改进措施。 1 设备简介 VB608 套管换热器是某厂甲酸钠车间一台重 要的换 热设 备, 其主 要作用 是 将 N aOH 溶液 从 120 加热到 170 , 输送到下 一合成工序 , 为甲 酸钠的合成反应提供条件。设备由 20 根管每段 为 6m 连续焊接分 两排组成 , 中心管内走 NaOH 溶液, 夹套管内走 0 . 8 M Pa 的蒸汽。换热器的工 艺条件见表 1 。 表 1 套管换热器工艺条件
操作压力 部位 M Pa 中心管 外夹套管 2 .4 0 .8 120 ~ 170 250 N aOH 溶液 ( 120 ~ 150g /L) 水蒸气 , 冷凝水 操作温度 工作介质
分别编号为 1 号管和 2 号管。通过对样品的宏观 形貌分析发现, 1 号管外壁未发现可见裂纹 , 内壁 存在多处裂纹 , 管子内、 外壁上存在腐 蚀产物; 2 号管外壁存在多处宏观裂纹, 焊缝区域存在腐蚀 产物, 其外观形貌如图 1所示。
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Experimental S tudy on Measur ing Aspha ltene P rec ip itation Volume in Carbon D iox ide F looding Reservoir
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表 2 化学成分分析结果
项 目 C 0 . 037 0 . 08 Si 0. 335 1. 50 Mn 1 . 256 2 . 00 S 0 . 003 0 . 03 P 0. 042 0. 045 实测值 标准值
2. 3 硬度检验 对裂纹附近的热影响区、 焊缝和远离裂纹的 母材进行维氏硬度检测 , 结果分别为 HV247 . 3 、 HV159 . 6、 HV153 . 7 。 0Cr25N i20 的标 准维 氏硬 度低于 200 HV。从硬度检查结果来看 , 母材的硬 度符合性能要求 , 但焊接热影响区的显微硬度高 于远离裂纹母材的硬度, 表明焊缝热影响区材料 硬度存在不均匀现象。 2. 4 扫描电镜分析 通过取样分析发现 , 2 号管 裂纹断面明显可 见裂纹起始部位、 裂纹稳定扩展区和失稳扩展区 这 3 个区域。断口可见多条由内壁开向壁厚方向 扩展的裂纹 , 裂纹呈沿晶扩展裂纹 (图 2), 断面撕 [ 2] 裂区表面存在明显撕裂韧窝形貌 ( 图 3), 断面 深色腐蚀区域微观形貌如图 4 、 5 所示 , 断面覆盖 了致密的腐蚀产物。
质相符。黑色氧化物主要成分为 F e 和 O, 应属于 开裂后进一步氧化所致。 2. 6 金相分析 从 1 号管中部取样进行金相分析, 该试样未 抛光前在靠近内表面部位即发现明显裂纹。对试 样进行金相观察发现 , 试样在抛光态下, 靠近内表 [ 3] 面部 位呈沿 晶腐 蚀形貌 特征, 为孪 晶奥氏 体 ( 图 6) 。材料内部局部存在裂纹, 大量裂纹是由 内表面开始向外扩展的, 近内表面裂纹处可见晶 间腐蚀 ( 图 7), 裂纹呈穿晶型。
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微硬度也高于焊缝区和母材, 这种差异起源于焊 接过程。焊接经历了一系 列复杂的非平 衡的物 理、 化学和热力学过程 , 从而导致焊缝和热影响区 晶粒粗大等缺陷 , 从而使焊接接头处存在较高的 焊接残余应力, 成为应力腐蚀的敏感部位。 3. 2 腐蚀介质 由套管式换热器的工作条件可知中心管的介 质主要为高温碱液。奥氏体不锈钢在碱液中的应 力腐蚀破裂属于碱脆 , 产生的机理如下: 阳极 阴极 F e + 3OH 3 HF eO2 + H H + e=H
图 7 晶间腐蚀裂纹 对 2 号管焊缝区金相样品沿径向端面进行观 察发现 , 抛光态下端面明显可见内壁面产生的裂 纹 ( 图 8) , 焊缝及附近热影响区域晶 粒粗大 ( 图 9) 。由此可见, 热影响区裂纹更易扩展。
分析图 11 可得, 两条曲线趋势大致相同, 均 呈典型的焊缝区域残余应力分布规律
2. 5 断面腐蚀产物分析 采集断面中部 的腐蚀产物进 行微区能 谱分 析 , 结果表明产物中含有 Na、 O等元素 , 与工艺介 图 6 抛光状态的沿晶形貌
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应力测试。测量采用 X 350A 型 X 射线残余应力 测 试 仪, 测 点 布 局 如 图 10 所 示 , 测 点 间 距 为 3mm, 测试结果如图 11 所示。
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Ab stract A dev ice boast ing of a fully enclosed process , and com puter con tro l and data acquisitio n w as de sig ned to m easure asphaltene precipitation vo lum e in carbon diox ide flo od ing reservo ir and analyze the gasw ith gas chrom atography . The designed dev ice can w ithstand h ig h pressures and temperatures and ac id . The exper m ental ana lysis show s that this dev ice helps obtain effects o f bo th ground tem perature and displacem ent pres i sure on the aspha ltene precipitation in carbon diox ide flooding reservo ir . Key wo rds carbon d iox ide, aspha ltene , prec ip itatio n vo lu me
+ +
故的发生, 建议根据应力腐蚀介质与材料的组合, 合理选材, 同时消除避免产生应力集中的结构因 素。严格执行焊接工艺和焊接规范 , 选择合适的 焊接顺序, 利用消除应力热处理方法 , 降低焊缝热 影响区的残余应力。对已发生泄漏的套管式换热 器 , 建议采用补焊修复。首先打磨消除焊缝微裂 纹 , 然后用 N i基焊材 , 按照相应的焊接工艺补焊。 补焊后 , 采用振动法对整个换热器进行消除应力 热处理。 参
图 1
2 号管宏观裂纹形貌
观察图 1 发现, 主裂纹与焊缝方向平行, 存在 以其为源的分支裂纹 , 裂纹周边无可见塑性变形, 具有应力腐蚀的基本特征。另外, 2 号管在焊缝 区域经点焊补漏处理 , 在距焊缝 4mm 左右存在大 量环向裂纹。 2. 2 化学成分分析 从 1 号管取样进行化学成分分析, 结果列于 表 2。检验结果表明, 样品 ( 1 号管 ) 材料的化学 [ 1] 成分与 GB /T 20878 2007 中 0Cr25N i20 的化学 成分一致。
其反应结果是表面生成 F e3 O4 保护膜, 此膜 受应力的作用而遭受破坏 , 继而再钝化使膜修复, 当膜的破坏和再修复处于动态平衡状态时, 将会 发生阳极溶解型应力腐蚀开裂。 4 结束语 针对中心管介质中含有较高温度和浓度的碱 液 , 焊缝残余应力较高的实际情况, 为避免类似事
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[ 4]
, 且残余
应力最大值均发生在距焊缝 4mm 位置处, 可见易 在此区产生应力腐蚀开裂, 这与中心管焊缝 4mm 金相分析表明, 管子呈沿晶腐蚀形貌 , 裂纹呈 应力腐蚀特征。焊缝附近区域晶粒粗大 , 易于裂 纹产生及扩展。 2. 7 焊缝影响区残余应力测量 为测量焊缝影响区域残余应力, 选取不含宏 观裂纹的 1 号弯管进行残余应力检测 , 对焊缝附 近区域先进行电解抛光处理, 然后进行环向残余 左右有较多环向裂纹的宏观观察结果一致。 3 综合分析 3. 1 应力条件 中心管在 2 . 4MP a的操作压力下工作应力水 平较高 , 而且该部位正是焊接残余应力水平较高 的焊缝热影响区 , 结合金相检验结果 , 裂纹起源处 的组织和裂纹尖端的金相组织存在显著差别, 显
HU Jie , H E Yan feng , L ing Dong , W ang H ong m e i, L I H ua m ing , L I Sen lin
( 1. Changzhou University, Changzhou 213016 , Ch ina; 2. Exp loration and D evelopm ent Research Institu te, Sinop ecH uabei O ilf ield Company, Cangzhou 062552 , Ch ina; 3. H eisheng C orp. , D ongy ing 257200, China; 4. S inop ec Shengli O iifield D am ing Group Co. , Ltd. , D ongy ing 257000, China )
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Biblioteka Baidu( 华南理工大学 )
摘
要
通过化学成分分析 、 扫 描电镜及残余应力检测等方 法对套 管式换热 器的泄 漏原因 进行失 效分 套管式换热器 TQ051 5 应力腐蚀 失效分析 B 文章编号 0254 6094( 2011) 02 0228 04
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4]
HF eO2 + H 2O + 2e F e3 O4 + H 2O + 2e 2 H= H
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考
文
献
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