套管式换热器失效分析

套管式换热器失效分析

马小明* 李 靖

(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 套管式换热器 应力腐蚀 失效分析

中图分类号 TQ051 5 文献标识码 B 文章编号 0254 6094(2011)02 0228 04

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 a OH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Na OH

溶液,夹套管内走0.8M 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

部位操作压力

M Pa

操作温度

工作介质

中心管2.4120~170N a OH溶液(120~150g/L)外夹套管0.8250水蒸气,冷凝水

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,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。

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)材料的化学成分与GB/T20878 2007[1]中0Cr25N i20的化学成分一致。

*马小明,男,1962年6月生,副教授。广东省广州市,510640。

表2 化学成分分析结果

%

项 目C S i M n S P C r N i 实测值0.0370.3351.2560.0030.04224.87819.879标准值

0.08

1.50

2.00

0.03

0.045

24.00~26.00

19.00~22.00

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 i 20的标准维氏硬度低于200HV 。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

裂区表面存在明显撕裂韧窝形貌[2]

(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。

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

质相符。黑色氧化物主要成分为Fe 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

面部位呈沿晶腐蚀形貌特征,为孪晶奥氏体[3]

(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。

图6 抛光状态的沿晶形貌

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。

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。

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[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 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2.4MPa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

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 Fe+3OH HFe O2 +H2O+2e

3HFe O2 +H+ Fe3O4+H2O+2e

阴极 H++e=H 2H=H2

其反应结果是表面生成Fe3O4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。

参考文献

[1] G B/T20878 2007,不锈钢和耐热钢牌号及化学成分

[S].北京:国家质量监督检验检疫总局,2007.

[2] 刘正义,吴连生.机械装备失效分析图谱[M].广

州:广东科技出版社,1990:272~273.

[3] 任颂赞,张静江,陈质如等.钢铁金相图谱[M].上

海:上海科技文献出版社,2003.

[4] 宋天民.残余应力的产生与消除[M].北京:中国石

化出版社,2006:54~55.

(收稿日期:2010 08 29)

(上接第156页)

[5] 李向良,李振泉,郭平等.CO

2

驱油实验研究[J].

石油勘探与开发,2004,31(5):102~104.

[6] 祝春生,程林松,崔书姮等.低渗透油藏注CO

2

气驱提高原油采收率适应性的研究[J].陕西科技大学

学报(自然科学版),2008,36(6):36~41.

[7] 范希良,廖新维,张组波.水驱后油藏CO

2驱提高采

收率与埋存实验研究[J].论文研究,2009,27(61):

48~51.

[8] 贾英,孙雷,孙良田等.向油藏中注CO

2

时引起的沥

青质沉淀研究[J].新疆石油地质,2006,27(5):581

~585.

(收稿日期:2010 09 03)

Experiment al S tudy on Measur ing Aspha lt ene P rec i p it ati o n

Volu me in Carbon D iox i d e F l o oding Reservoir

HU Jie1,HE Yan feng1,L i n g Dong1,W ang H ong me i2,LI Hua m i n g3,L I Sen lin4

(1.Changzhou Universit y,Changzhou213016,Ch i na;

2.Exp loration and D evelopm ent Research Instit u te,Sinop ecH uabei O il f ield Company,Cangzhou062552,Ch i na;

3.H eisheng C orp.,D ongy ing257200,China;

4.S inop ec Shengli O ii field D am i ng Group Co.,Ltd.,D ongy i ng257000,China)

Abstract A dev ice boasti n g of a fully enclosed process,and co m puter con tro l and data acquisiti o n w as de si g ned to m easure asphaltene precipitation vo l u m e i n car bon diox ide fl o od i n g reservo ir and analyze the gasw ith gas chro m atography.The designed dev ice can w ithstand h i g h pressures and te mperatures and ac i d.The exper i m ental ana lysis sho w s that this dev ice helps obtain effects o f bo th ground te m perature and displace m ent pres sure on the aspha ltene precipitation in car bon diox ide flooding reser vo ir.

Key wor ds car bon d i o x i d e,aspha ltene,prec i p itati o n vo lu m e