燃料氣壓縮機水冷器管束失效分析

郭 飛，張國輝，莫燁強

(1.中海煉化惠州煉油分公司 廣東 惠州 516086;2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司 遼寧 沈陽 110180)

煉油廠在運行過程中會產生大量低壓燃料氣[1]。由于劣質原油的加工，煉油廠低壓燃料氣體的質量相對較差，其組分中含有大量的腐蝕性氣體，極易使設備裝置發生腐蝕[2]。中海油惠州煉化分公司燃料氣回收壓縮機水冷器管束發生穿孔失效。管束的材質為304不銹鋼，管束內介質為水，管外介質為柴油及燃料氣。管外運行溫度為40～60℃，管內運行溫度為20～30℃。通過對壓縮機水冷器管束304不銹鋼發生孔洞失效部分，進行宏觀和微觀觀察并做能譜分析，確定其發生穿孔失效的原因，為煉油廠選材提供參考。

1 實驗結果

1.1 宏觀觀察

圖1為現場拆下來的換熱器管束表面圖，從圖中可以看到管束表面覆蓋有大量的黑色油污。取兩段管束樣品清洗干凈并進行檢測分析，分別命名為1號和2號樣品。

圖1 換熱器現場照片Fig.1 Photo of heat exchanger

圖2 1號管樣表面形貌及能譜分析Fig.2 Surface Morphology of pipe sample 1#

圖2A所示為1號管束樣品外表面形貌，圖2B為對應剖管的能譜分析圖。從圖中可以看出，外表面有較大的“腐蝕坑”，并在附近可觀察到大小不一的小針孔點，觀察“腐蝕坑”內部越靠近內表面一側，其口徑逐漸變小，內表面可見對應的“腐蝕坑”已穿孔，可見較小的穿透針孔。從內外表面的形貌對比，可知穿孔處是由外表面擴展至內表面。

圖3 2號管樣表面形貌Fig.3 Surface Morphology of pipe sample 2#

圖3為2號管樣的外表面及內表面形貌，觀察到的外表面形貌與圖1號管樣相近，但是其失效處并未穿透，進一步證實其破壞是從外表面開始。另外肉眼可見在坑底的顏色呈現具有金屬光澤。為了進一步分析失效原因，故取1號穿孔試樣進行了進一步檢測。

1.2 材質分析

表1材質分析表明，管束材質為典型的含銅304HC不銹鋼，材質合格。

表1 管樣成分分析Table1 Compositions of pipe sample w，%

1.3 金相檢驗

對樣品2#管束橫截面進行金相觀察，如圖4所示。從圖4中可以清楚看到不同部位的金相組織均為奧氏體。

圖4 2#樣點蝕處及其遠端的金相組織Fig.4 Micrograph of tubercular corrosion and faraway part

為了進一步觀察組織的變化，圖5為靠近內外表面的金相形貌，從圖中可見外表面有明顯的腐蝕現象，且腐蝕深度最深處均處于晶界處。

1.4 電鏡及能譜分析

腐蝕坑處的微觀形貌見圖6，其形貌近似“碗狀”，在坑底可見穿透的孔，在穿透部位周圍有明顯的產物堆積。坑內其他區域有薄層產物，且表面相對平整。

在樣品完好的區域，觀察到了圖7所示的形貌，管束外表面大面積分布著網狀的表面裂紋或稱龜裂表面裂紋，且裂紋均為沿晶裂紋[4]，但這種沿晶的腐蝕并未深入，腐蝕僅一兩個晶粒深，晶粒本身也受到了腐蝕，均勻減薄。

圖5 金相組織Fig.5 Microstructure

圖6 管束穿孔處的微觀形貌Fig.6 Micromorphology of bundle perforation

圖7 管束外表面微觀形貌Fig.7 Microtopography of bube outer surface

表2為對應圖5和圖6的能譜分析結果。從表中可見蝕坑內及坑底除基體的 Fe，Cr，Cu外，主要含有O，C和S元素，且坑內和裂縫內的C和S含量要高于坑底。

表2 A，B所示為蝕坑底部及邊緣成分結果，表2 C，D所示為管束外表面遠離蝕坑觀察到的網狀表面裂紋區域的分析結果，從能譜的分析結果表明，在網狀沿晶裂紋內以及腐蝕坑內Cr元素含量明顯減少，而且在腐蝕裂紋內的碳含量明顯增加。

表2 能譜分析結果Table2 Energy spectrum analysis w，%

2 原因討論

由于低壓燃料氣含有大量的小分子的HCN，CO2，H2S和 H2O 腐蝕介質[1]，隨著燃料氣進入冷凝管后繼續被冷卻，飽和的燃料氣將在冷壁上析出含有HCN，H2S，CO2等酸性氣體的冷凝液，在冷凝管表面產生電化學腐蝕，是引起了點蝕和晶間腐蝕的外因[2-3]。再結合能譜結果分析，從EDS可測量晶界和晶內鉻含量的不同。其結果是晶界附近形成貧鉻區，貧鉻區含鉻質量分數低于不銹鋼表面形成耐腐蝕鈍化膜所需的最低含鉻質量分數，因而鈍態受到破壞。晶粒與晶界及其附近區域構成微電池，加速了晶界區的腐蝕，導致晶間腐蝕[4]，同時在局部嚴重區域產生了點蝕穿孔的現象。引起這種原因就是奧氏體不銹鋼在熱處理過程中處理不當導致了晶間形成了碳化物導致了晶界碳化物附近貧鉻[5]。

3 結論

(1)管束失效是由于材料在制備過程中熱處理不當，導致材料的原始質量缺陷，在材料的晶界上析出碳化物而使填料在HCN-CO2-H2S-H2O酸性介質中產生了晶間腐蝕。局部腐蝕嚴重處出現了點蝕坑。

(2)在材料應用上應嚴格控制材料的質量，條件允許的情況下建議采用采用超低碳的304L不銹鋼，或者更高級別的材料。

[1]陳靜桃.煉油廠回收低壓瓦斯氣體的技術總結[J].福建化工，2003(3):56-58.

[2]張艷，曾宏，全尚仁.10000 m3螺旋導軌濕式氣柜的腐蝕與防護[J]. 腐蝕科學與防護技術，2002，14:236-237.

[3]賈榮勛.氣柜的腐蝕原因分析及綜合防護措施[J].腐蝕與防護，1999，12(9):562-564.

[4]高娟.經濟節鎳型不銹鋼局部腐蝕行為研究[D].上海:復旦大學，2010.

[5]于曉飛.304，306不銹鋼晶間腐蝕的實驗與理論研究[D].濟南:山東大學，2010.