高壓裝置應力腐蝕失效分析及防護

柏 影

(中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶 163714)

高壓裝置應力腐蝕失效分析及防護

柏 影

(中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶 163714)

針對高壓裝置E408I換熱器頻繁泄漏問題，結合生產工況對換熱管進行了腐蝕失效分析。通過專業檢測分析手段，結合高壓裝置特定的運行條件，指出了產生管束應力腐蝕開裂的條件因素，同時從材料方面分析了更新后設備故障率更高的原因。該分析結果及建議對于在相似工藝條件下已運行換熱器及更新換熱器的管束應力腐蝕的防護具有一定的借簽作用。

換熱器 應力腐蝕 振動 失效 分析

塑料廠高壓裝置高壓循環氣第一冷卻器E408I為固定管板式換熱器，換熱管頻繁泄漏，故障率非常高。因此，為確保裝置的安全穩定運行，需要找出該換熱器換熱管失效的原因，并對其進行分析評價，降低或消除其不利因素，從而降低其故障率。

1 E-408Ⅰ運行條件

1.1 E-408Ⅰ流程簡介

E 408I位于高壓裝置反應器尾部冷卻水熱水回路(V-505)流程中，在流程中回路的熱水儲存于熱水貯罐 V-505中(正常生產控制壓力0.5 MPa、開車時0.7 MPa)，用熱水泵 P-506A/B，首先輸送到高壓循環氣第一冷卻器E408 I，對高壓循環氣體進行冷卻降溫。該換熱器對運行環境的要求比較苛刻，換熱氣體的進入溫度高達300℃，冷卻介質為160℃的飽和熱水。該換熱器的工藝參數見表1。

表1 E-408Ⅰ的工藝參數

1.2 E-408Ⅰ換熱管歷年失效案例

近幾年該換熱器換熱管失效的案例見表2。

表2 E-408Ⅰ換熱管失效泄漏記錄

2 應力腐蝕失效分析

為了從根本上了解換熱管失效原因，對該換熱管進行腐蝕失效分析。由于折流板位置入口管子減薄嚴重，漏點均在此產生，故此次檢測截取了較具腐蝕代表性的入口附近的管子。

3 水質因素分析

為了先了解水質是否產生腐蝕，首先對水樣的pH值、聯胺含量、溶解氧、氯根、堿度和電導和鐵離子等項目進行檢測。對照2008年以來水質檢測數據，聯氨含量、溶解氧、氯根、堿度和電導等項目均合格，排除了水質產生腐蝕因素。

4 檢測分析

對有代表性的腐蝕管子進行能譜、X-射線衍射檢測分析。

4.1 E-408 I管束殼程入口部位檢測

(1)E-408I管束殼程入口能譜分析:在試樣中取4點做了能譜分析，分析數據見表3。

表3 E-408Ⅰ換熱管能譜分析記錄

從元素檢測情況看只發現了C，O，Mg和Fe。其中Fe和O含量最多，值得注意的是從檢測結果看Fe不是以氧化物形式存在。沒有發現典型的其他腐蝕性元素。

(2)管束殼程入口X射線衍射分析:E-408 I換熱器管束殼程入口X射線衍射分析結果見圖1。

從圖1X射線衍射分析結果可以看出，主要有Fe2O3、MgFe 2+3O4、Fe2.95Si0.056O4、Mn2AlO4、MgFe2+3O4 和 Fe2Mn0.5Zn0.5O4、ZnFeVCrO4、CoFe2O4和Fe+2Fe2+3O4的衍射特征峰等，與能譜檢測結果相呼應，以鐵為主，其余有些元素應與系統雜質微量成分有關系，所檢測到的化學成分中未發現典型腐蝕性介質，比如氯化物、硫化物、氮氧化物、硝酸根和硫酸根等。

(3)E-408 I管束殼程入口部位掃描電鏡檢測:對E-408 I高壓換熱器殼程入口折流板管子分別做了200倍、500倍、1000倍和1500倍掃描電鏡檢測，檢測結果見圖2。由圖2發現有兩個顯著的特征，一是點蝕部位附近存在裂紋區(或微裂紋區)呈現海灘狀分布或貝殼狀分布，即存在一個源裂紋，以此為中心呈散射狀;二是裂紋區形貌類似樹枝狀，個別呈“米”字分布，這是典型的應力腐蝕形貌［1］。

圖2 折流板管子掃描電鏡檢測分析(1500×)

4.2 檢測分析結論

上述兩個特征連貫交織，綜合比對判定具有腐蝕疲勞特征，考慮E-408Ⅰ所使用的環境特征，細化之則可認為是“微振腐蝕”。

(1)微振腐蝕機理示意圖見圖3。橫向的周期性振動，縱向的周期性交錯位移，導致管子與折流板不斷摩擦，晶界不斷發生滑移，新鮮的金屬不斷裸露成為陽極，滑移導致金屬基體產生臺階形狀，臺階臺地部位由于介質中氧的修復作用氧化成鐵的氧化物為陰極，不斷暴露的新鮮金屬成為陽極，如此循環往復，使得金屬遭到腐蝕侵害，發生點蝕、坑蝕、并在接觸部位誘發裂紋，最終發生腐蝕泄漏直至報廢。

此外，周期性交錯振動導致管束和折流板之間發生磨損使得折流板和管束金屬粒子直接摩擦損耗也可導致折流板和管束接觸部位形成缺損凹槽。

(2)腐蝕疲勞和應力腐蝕聯合作用:從掃描電鏡電鏡觀察尤其明顯，具備有上述腐蝕的兩個特征。一是具有樹杈狀裂紋分布，這是典型應力開裂特征;其二具有貝殼狀裂紋分布，這是典型疲勞腐蝕特征(見圖4)。

5 設備泄漏原因分析

5.1 微振腐蝕是主要原因

所謂“微振腐蝕”是腐蝕疲勞的一種形式，無論是“微振腐蝕”還是“疲勞腐蝕(CF)”，均是應力腐蝕的一種特殊形式，是指承受載荷、互相接觸的兩表面由于振動或滑動(反復相對運動)引起的破壞，其核心產生的原因主要還是由兩個因素決定的，即一是周期性交變性載荷應力，二是存在腐蝕性介質［2］。

微振腐蝕過程中摩振作用破壞了金屬保護膜，裸金屬迅速氧化，磨損和氧化反復進行，使破壞加劇。另外，金屬表面因受壓產生冷焊或熔化，其后由于相對運動使金屬顆粒脫落，并迅速氧化。二者都產生氧化銹粒，破壞金屬界面，氧在疲勞振動腐蝕中很重要。

由于流體(飽和熱水)在殼程中的流動，其產生共振效應，使得管束頻率與流動介質發生某種共振，即產生周期性的振動和與折流板發生接觸震蕩損傷管束基體，加之受到腐蝕介質的電化學腐蝕影響，使得管束金屬表面膜不斷露出新鮮的金屬基體，不斷形成小陽極大陰極，震動碰撞部位為陽極，未受到直接損傷的部位為陰極，如此金屬離子由于電化學的作用不斷散失，腐蝕也不斷進行下去，最終導致設備發生腐蝕泄漏。

5.2 氧腐蝕起到加速微振腐蝕的作用

在有氧的溶液中，碳鋼的腐蝕反應為:

微振腐蝕過程造成的晶界滑移使得氧不斷補充修復已破損的部位，未修復新鮮的金屬晶界或缺陷處或含有雜質元素S、Mn部位成為陽極，修復部位為陰極，氧的存在對形成小陽極大陰極電化學腐蝕起到有協同作用。

5.3 設備材質變化導致微振腐蝕加速

從表2可以看出，更新后的設備故障率遠大于更新前的設備，由于操作條件未變，只有材質發生變化(見表1)。因此，對變化的材質16MnR鋼管，進行了化學成分分析，結果見表4。

16Mn(16MnR)一般作為容器用鋼，比一般的碳鋼材質具有更高的應力腐蝕敏感性。16Mn(16MnR)與20號從成分上最大的區別在于Mn含量的不同，其上線的Mn含量是20號碳鋼的2.5倍，而Mn在腐蝕環境下卻是發生點蝕的誘發元素和裂紋源，尤其是在硫含量超標的情況更是如此。

大量的能譜分析和X射線衍射分析結果表明，E-408Ⅰ高壓換熱器無論從管程還是殼程介質中，都沒有發現典型的腐蝕性元素和化學介質成分，從E-408Ⅰ使用的工況條件看，使用工藝環境良好。而更新的16Mn材質中S的含量、硫化物分布、P的含量以及它們的顯微組織要求較高，P和S含量，最好能控制P小于0.08%，S小于0.02%，這樣，發生應力腐蝕的可能性會大大降低。同時16Mn對熱處理也有一定的要求，不像20號碳鋼那樣可以不做要求。也就是說16Mn材質對制造要求較多，在不作為壓力容器制造的情況下其熱處理、殘余應力、關鍵有害元素含量容易被忽視，而這

些因素在E-408 I的振動大的操作環境中恰好易產 生微振腐蝕。

表4 E-408Ⅰ換熱管材質化學成分列表 w，%

5.4 操作中汽液夾帶導致微振腐蝕加速

由于流體(飽和熱水)在殼程中的流動，產生共振效應，產生微振腐蝕。而由于操作控制上的原因，導致流體中汽液夾帶加劇了管子的振動，從而加劇了與折流板間的磨損，導致失效過程加劇，故障率升高。所以，工藝控制操作，有效杜絕汽液夾帶現象，減少振動，從而減少與折流板間的磨損有利于減少故障泄漏。同時，制作換熱器過程中最大限度減少折流板與管子間縫隙，減少磨損，也是減少故障泄漏的重要因素之一。

6 防腐蝕措施和建議

(1)從操作上來說，要降低殼程的使用溫度，減少汽液相的共生共存，以減少共振。

(2)增加涂料保護。涂料保護具有一定的彈性，對周期性的振動起到阻尼作用，吸收由于振動帶來的周期性應力，可有效降低微振腐蝕和腐蝕疲勞。所采用的涂層，應考慮耐沖擊、抗沖刷、耐水腐蝕，且有一定柔韌性并耐溫在150℃以上，或采取滲鋅加涂層聯合防腐蝕的方法，可大大延長管束的使用壽命，提高設備抗腐蝕風險的概率［3］。

(3)增加換熱器加工精度，減少折流板與管束之間的空隙，也可以采取折流板熱浸鍍鋁或固體包埋滲鋁的方法減少折流板與管束之間的縫隙。

(4)殼程折流板之間增加Al-Zn-In-Si犧牲陽極塊，犧牲陽極間歇放出的氫氣和微電子流可以減少金屬管束發生應力腐蝕開裂，增加抵御應力腐蝕開裂的使用風險和概率。犧牲陽極安裝采用焊接方式，將犧牲陽極鐵芯與管束折流板接觸部位均勻焊滿，嚴禁產生假焊現象，并將焊渣清除干凈，嚴禁犧牲陽極表面污染油污等。

(5)由于16Mn存在應力腐蝕敏感性，在采取退火等手段仍無法降低其硬度的情況下不宜使用該材質做E-408 I管束，在介質沒有腐蝕性的情況下，20號碳鋼材質比較好。

［1］上海交通大學.金相分析［M］.北京:國防工業出版社，1997:67.

［2］化學工業部化工機械研究院.腐蝕與防護手冊［M］.北京:化學工業出版社.1991:93.

［3］比勒H E，維斯滕貝格 D.合理的防腐蝕設計［M］.北京:化學工業出版社，1990:109.

Analysis of Stress Corrosion Failure of High－pressure Unit and Prevention

Bai Ying
PetroChina Daqing Petrochemical Company(Daqing，Helongjiang 163714)

As frequent leaking occurred in the heat exchanger(E408I)in HP unit，the corrosion failure of heat exchanger tubes were analyzed based upon operating conditions.The conditions and factors resulting in stress corrosion cracking of tubes are located by special testing and analysis techniques，and causes of higher trouble rates of replaced equipment are analyzed in respect of materials.The results of analysis and associated recommendations can serve as the reference for stress corrosion protection of tube bundles of operating heat exchangers and replaced heat exchangers.

heat exchanger，stress corrosion，vibration，failure，analysis

TE985

A

1007－015X(2011)04－0061－04

2010－11－ 20;

2011－07－12。

柏影(1974-)女，1998年畢業于大慶石油學院化工設備與機械專業，曾在該公司塑料廠聚丙烯裝置和高壓聚乙烯裝置負責設備管理工作，現為該公司塑料廠機動科設備主管，負責防腐、熱工和靜設備管理。E-mail:baiying@petrochina.com.cn