不銹鋼換熱器的空蝕破壞

劉步宇

(中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司,北京 102500)

不銹鋼換熱器的空蝕破壞

劉步宇

(中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司,北京 102500)

苯酚裝置精制塔第二冷凝器投用后,管束材質(zhì)先后使用過多種材料,均發(fā)生泄漏。對失效不銹鋼換熱管進(jìn)行化學(xué)成分分析和金相分析顯示材料的元素含量和組織均正常,從宏觀形貌和電鏡觀察發(fā)現(xiàn)管束內(nèi)表面流體一側(cè)出現(xiàn)明顯的海綿蜂窩孔面,此形貌是空蝕的典型特征。通過分析換熱管內(nèi)物料操作壓力與溫度發(fā)現(xiàn)物料存在汽化現(xiàn)象,沸騰產(chǎn)生的氣泡使得管束局部過熱區(qū)液體流動加劇,形成浪涌加速對管壁的沖刷,更為嚴(yán)重的是氣泡形成的微射流造成強(qiáng)大局部沖擊力,形成微觀空泡腐蝕導(dǎo)致材料失效。針對發(fā)生空蝕的影響因素,通過調(diào)整工藝操作壓力與溫度,防止管程液體局部沸騰,并選用 C rMnN系奧氏體不銹鋼或雙相鋼內(nèi)襯鈦合金管,消除了不銹鋼換熱器的空蝕破壞。

不銹鋼 換熱器 空蝕 失效

中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司苯酚裝置精制塔第二冷凝器是螺旋折流板固定管板式換熱器,換熱管與管板連接形式為貼脹和強(qiáng)度焊。出于工藝節(jié)能考慮,采用的管、殼程均為物料介質(zhì)進(jìn)行互換熱,利用苯酚精制塔 (PT-15)塔頂蒸汽作為苯酚精制塔第二冷凝器 (PE-75)的熱源,加熱管程物料為異丙苯和水,冷卻殼程介質(zhì)為苯酚。管程進(jìn)出口溫度控制在 49～101℃。殼程進(jìn)出口溫度控制在 149～140℃。管程進(jìn)出口壓力控制在0.4 MPa,殼程進(jìn)出口壓力控制在 0.06 MPa。設(shè)備于 2003年 10月投用,管束材質(zhì)為 304鋼。設(shè)備在投入使用 2 a后,開始發(fā)生管束泄漏。材質(zhì)更換為316L后仍然發(fā)生泄漏。2009年 8月利用檢修期間對設(shè)備整體更新,材質(zhì)為 S31803雙相鋼。2010年對設(shè)備打壓查漏,堵管 63根,泄漏情況和以前的相似,主要集中在氣相進(jìn)料的上部。

通過對失效設(shè)備進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相分析、電鏡觀察和能譜分析等措施后,分析出其產(chǎn)生破壞的原因,并對使用工況下如何避免提出解決對策。

1 檢驗(yàn)分析

1.1 宏觀檢查

經(jīng)過檢查在冷凝器管束正對氣體入口處發(fā)現(xiàn)了大量的肉眼可見腐蝕穿孔,見圖 1。圖 1中紅框處為穿孔集中區(qū)域。

取泄漏管束進(jìn)行失效分析,將泄漏管沿軸中心線剖開后觀察,發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁存在明顯分界線:在分界線以下只發(fā)生輕微的均勻腐蝕;分界線以上腐蝕嚴(yán)重且呈現(xiàn)典型的沖刷腐蝕痕跡,發(fā)現(xiàn)大量馬蹄形沖蝕坑,金屬殘留部分形成島嶼,嚴(yán)重沖蝕區(qū)出現(xiàn)河流狀形貌,最嚴(yán)重的地方甚至出現(xiàn)穿孔。管外表面的同一半圓側(cè)出線了大小不一的漏點(diǎn),從其剖面也可以看出,其泄漏是從內(nèi)往外擴(kuò)展的,在截面位置可以看到管一側(cè)未泄漏位置也有明顯的減薄。內(nèi)表面的一側(cè)呈現(xiàn)類似河水沖刷后的痕跡,出線許多溝槽和C形波紋致使管減薄,內(nèi)表面形貌見圖 2。

圖 1 冷凝器正對氣體入口處管束腐蝕Fig.1 Gas inlet erosion image of in the condenser

圖 2 內(nèi)表面形貌Fig.2 The internal erosion image of the corroded pipe

1.2 化學(xué)成分分析

對樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析的結(jié)果見表 1。

從表 1中可以看出,除了 C元素含量超標(biāo)外,其他元素含量均在 AST M/A790標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。并且,管材在發(fā)生嚴(yán)重腐蝕穿孔區(qū)段與無腐蝕穿孔區(qū)段的組織并無明顯區(qū)別,且二者均為正常的雙相不銹鋼組織。

表 1 化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 The element of the corroded pipe w,%

1.3 金相分析

樣品的金相組織形貌 (草酸電解浸蝕)見圖 3。從圖 3中可以觀察到,樣品的金相組織為鐵素體和奧氏體兩相組織,其相比例為 50:50,屬正常雙相鋼組織,未見異常。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù),材料成分組織均正常,并非是導(dǎo)致材料失效的原因。

1.4 電鏡觀察

穿孔部位的微觀形貌見圖 4。從圖 4中可以觀察到,樣品表面除了有大小不一的溝槽外,還分布著較多深淺不一的孔洞,即海綿狀蜂窩孔面,并伴有溝槽形貌。

圖 3 金相組織形貌 (200×與 400×)Fig.3 The metallurgical structure of the sample

圖 4 蝕孔底部形貌及蝕孔邊緣區(qū)域形貌Fig.4 The electron microscope images of the corroded pipe

1.5 能譜分析

蝕孔邊緣能譜分析結(jié)果見表 2。

表 2 蝕孔邊緣能譜分析結(jié)果Table 2 Energy spectrum analysis data of the corroded margin

由表 2可知,內(nèi)表面除了基體元素 Cr,Ni,Mo和Mn等元素外,主要元素為 O元素,還含有微量的 S元素。

2 成因綜合分析

2.1 分析結(jié)果討論

化學(xué)成分分析和金相結(jié)果顯示,材料的元素含量和組織均為正常的雙相鋼成分和組織,說明換熱管束失效的主要原因非材料因素。

宏觀形貌觀察結(jié)果顯示,每一根管其內(nèi)部腐蝕情況在各區(qū)段存在差異。存在如下腐蝕規(guī)律:管穿孔發(fā)生在正對氣體入口處;所有管束內(nèi)壁均發(fā)生了非均勻腐蝕,無論是否泄漏均存在非均勻減薄;管束外壁除局部穿孔外其余均完好,保持金屬光澤;管束內(nèi)壁腐蝕呈現(xiàn)典型的沖刷腐蝕特征,且腐蝕存在明顯的分界線;管束內(nèi)壁腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域都集中在靠近殼程氣體入口處的頂部,其底部只發(fā)生輕微的均勻腐蝕。距離該區(qū)域越遠(yuǎn),頂部腐蝕程度越輕,說明腐蝕失效與介質(zhì)的性態(tài)和溫度相關(guān)。

從電鏡觀察的結(jié)果看,管束內(nèi)表面流體一側(cè)出現(xiàn)明顯的海綿蜂窩孔面,說明失效與流體因素密切相關(guān),其中海綿蜂窩孔面,是空蝕的典型形貌特征[1]。

2.2 空蝕的發(fā)生過程

空蝕是由作用到金屬材料表面的應(yīng)力脈沖引起的,而液體中的應(yīng)力脈沖由空泡潰滅時產(chǎn)生的壓力波或者高速射流引起。應(yīng)力脈沖的變化幅度在幾百到1000 MPa,這么高的應(yīng)力脈沖很容易導(dǎo)致工業(yè)中使用的金屬材料產(chǎn)生變形及損失,即不僅可以直接引起金屬材料空蝕強(qiáng)度破壞,還可能引起金屬材料的疲勞破壞。

沸騰產(chǎn)生的氣泡或沖擊頂部管壁而破裂,或在管壁頂部聚集長大,受壓變形和切應(yīng)力作用而破裂,或向未沸騰區(qū)移動,溫度梯度逐漸降低并與未沸騰液體發(fā)生熱交換而逐漸冷卻,飽和蒸汽壓降低,最終因氣泡壓力接近該點(diǎn)溶液靜壓而破裂并凝結(jié)成液體。在上述過程中,沸騰過程中液相向固相的轉(zhuǎn)變使得液體向外膨脹,氣泡消亡區(qū)則反之使周圍液體迅速向氣泡空間填充。上述過程的結(jié)果使得管束局部過熱區(qū)液體流動加劇,形成浪涌加速對管壁的沖刷,而且會與管束內(nèi)整體液體流動相互作用,形成湍流、層流,加劇沖刷。更為嚴(yán)重的是,氣泡的消亡,使得氣泡所在空間形成真空,周圍的液體會以極大的速度沖向氣泡中心,瞬間填充該空間。在該作用下,液體流向氣泡中心的瞬間速度極大,形成微射流,所形成的局部沖擊力能達(dá)上千大氣壓。如此大的沖擊力,不僅破壞管束金屬的表面膜,使露出的新鮮金屬表面又與溶液反應(yīng) (溶液呈堿性,且含有 Cl和 S等有害元素,對帶表面鈍化膜的管束金屬難以造成明顯持續(xù)的腐蝕,但卻能對來不及形成表面鈍化膜的金屬造成傷害),使加熱管內(nèi)壁受到浸蝕,而且還可能破壞表面膜下金屬,使其發(fā)生局部塑性變形,甚至導(dǎo)致金屬粒子脫落[2]。

2.3 失效成因分析

由于冷凝器殼程入口處高溫蒸汽影響,在正對該區(qū)域管束內(nèi)頂部液體因局部過熱而沸騰。冷凝器的殼程進(jìn)口溫度控制在 149℃。該溫度下的飽和蒸氣壓約為 0.465MPa,而管程進(jìn)出口壓力控制在 0.4 MPa,正好低于 149℃的飽和蒸氣壓,所以液體進(jìn)入此部位會汽化,產(chǎn)生大量蒸氣,形成氣泡。氣泡不斷形成又破滅,就造成汽蝕。到 143℃以下,飽和蒸氣壓低于 0.4MPa[3],就不會汽化,形成氣泡。

氣泡的破裂頻繁發(fā)生在管束頂部內(nèi)壁,局部沖擊力也頻繁作用于該區(qū)域。最終形成了對管束頂部內(nèi)壁的不均勻沖刷腐蝕,形成斑點(diǎn)、塑性變形的凹坑。一旦被沖刷腐蝕形成斑點(diǎn)或凹坑,則氣泡更易在蝕坑內(nèi)萌生、長大、聚集和爆炸,管內(nèi)液體也更容易沖撞此處,因此腐蝕會被加劇,形成惡性循環(huán),構(gòu)成對材料的持續(xù)掏挖,使得斑點(diǎn)凹坑長大成沖蝕坑。如此持續(xù),最終形成宏觀的長期沖刷形成的河流狀腐蝕形貌、以及因不斷沖擊而形成的粗糙多孔的海綿狀金屬殘余物島狀突起。隨著河流狀腐蝕不斷加深,最終出現(xiàn)穿孔泄漏。

與氣體入口處的距離直接影響了管束液體的局部溫度,進(jìn)而影響其局部沸騰程度,因此,管束內(nèi)壁腐蝕程度與其空間位置存在明顯關(guān)系,距離氣體入口越近,腐蝕越嚴(yán)重。同時,受壓力梯度影響,氣泡總是向上運(yùn)動,進(jìn)而在管束頂部內(nèi)壁爆炸形成沖擊,因此,管束失效總是發(fā)生在管束頂部內(nèi)壁,且存在明顯分界線。

綜合以上分析,管束失效損壞主要集中在氣相進(jìn)料的上部的內(nèi)表面,說明管束的破壞主要是空蝕。

表 3 空蝕的影響因素Table 3 Factors contributing to cavitation erosion

3 結(jié)論及 對策

3.1 結(jié) 論

沸騰產(chǎn)生氣泡及氣泡消亡而引起的微觀空泡腐蝕是導(dǎo)致材料失效的重要因素。冷凝器管束的失效主要是由于空蝕破壞引起的,并伴有一定的沖刷影響。

3.2 對 策

(1)表面硬化。從耐蝕性角度考慮,奧氏體不銹鋼是最好的,但其耐空蝕能力欠缺,所以為了提高其耐空蝕性能,可提高其表面硬度,即對表面進(jìn)行硬化處理。

(2)選材。為提高耐空蝕性能,可選用 C rMnN系奧氏體不銹鋼或更高強(qiáng)度和再鈍化性能復(fù)合材料 (雙相鋼內(nèi)襯鈦合金管)[4]。

(3)工藝調(diào)節(jié)。通過調(diào)整工藝環(huán)境,防止管程液體局部沸騰。使管程進(jìn)出口壓力略高于 149℃的蒸汽飽和蒸汽壓,使進(jìn)料部位產(chǎn)生較少的蒸汽,防止空蝕發(fā)生。或者降低殼程氣體溫度、減低殼程氣體流速提高管程液體流速、改變管程液體流向等。

(4)遵循 AST M/A790標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,提高材料表面光潔度,嚴(yán)格控制進(jìn)貨鋼管的表面狀態(tài)。

[1] 張承忠主編 .金屬的腐蝕與防護(hù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1985:113-119.

[2] 柳偉,鄭玉貴,姚治銘,等 .金屬材料的空蝕研究進(jìn)展[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報,2001,21(14):250-255.

[3] 劉光啟,馬連湘,劉杰等 .化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:311-317.

[4] 駱?biāo)卣?敬和民,鄭玉貴,等 .C rMnN雙相不銹鋼的空泡腐蝕行為研究[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報,2003,23(5):276-281.

Damage from Cavitation Corrosion of Sta inless Steel Heat Exchangers

L iu Buyu
(SINOPEC Beijing Yanshan Petrochem ical Co.,L td.,B eijing102500)

After the second condenser in phenol refining unit was commissioned,the condenser tubes leaked many time and were replaced with tubes of a number of differentmaterials.The chemical composition analysis of stainless steel tubes and metallographic analysis showed that the element contents and structures were normal.The macro-morphology and scanning electron microscope(SEM)analysis found sponge honeycomb holes in the internalwall of tubeswhere the liquid flowed,which was typical of cavitation corrosion.The study of operating pressure and temperature of flow media in heat exchange tubes demonstrated that there was vaporization of flow media and boiling bubbles accelerated liquid flow velocity in the local superheated areas,resulting in surge and erosion of tube walls.To make matterworse,the collapse of bubbles produced micro jets and strong local impingement force,which led to the material failure from micro-bubble erosion.The cavitation damage of stainless steel heat exchange tubes can be prevented by adjustment of operating pressure and temperature to prevent liquid in the tubes from boiling and selection of C rMnN austenitic stainless steel or duplex stainless steel lined with titanium.

stainless steel,heat exchanger,cavitation corrosion,failure

TE986

A

1007-015X(2011)06-0025-04

2011-05- 27;修改稿收到日期:2011-10-17。

劉步宇 (1969-),高級工程師,現(xiàn)在中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工三廠從事設(shè)備維護(hù)管理工作。E-mail:liubuyu259@sohu.com

(編輯 寇岱清 )