管板開裂滲漏原因分析

杜守信，蘇 輝，呂柏林

(遼寧石油化工大學，遼寧 撫順113001)

管板開裂滲漏原因分析

杜守信，蘇 輝，呂柏林

(遼寧石油化工大學，遼寧 撫順113001)

通過宏觀觀察、金相分析、掃描電鏡分析、能譜分析化學成分等一系列手段，對某廠區冷火炬液氣化器在檢修時發現管板產生的開裂滲漏問題進行分析研究。結果表明：管板的化學成分與標準不符；管程中的介質使管板表面產生氧化層以及溫度差所產生的熱應變循環作用是裂紋產生及擴展的主要原因。幵提出改進方案。

管板開裂；失效分析；改進方案

全國多家石油石化企業多次發生管板裂紋事故，不僅造成重大的經濟損失，而且嚴重影響安全生產，帶來很大安全隱患。本文對某廠區冷火炬液氣化器在檢修時發現管板產生的開裂滲漏進行分析研究。管板的材質為0Cr18Ni9。管程為乙烯，設計壓力為1.0 MPa，最高工作壓力為0.02 MPa，設計溫度為－120 ℃/260 ℃。殼程為水蒸氣，設計壓力為0.7 MPa，最高工作壓力為0.4 MPa，設計溫度為260 ℃。2010年制造，2012年投入使用，使用年限僅為1年左右。經檢查發現，裂紋縱橫交錯布滿整個管板表面。內部液體不斷通過裂紋向外滲漏，呈穿透型裂紋。冷火炬液氣化器的滲漏，對生產安全會造成很大的影響，停產維修也會對生產造成極大的損失。研究此管板開裂滲漏的原因，對設計的改進，設備的生產制造及使用都具有非常重要的意義。

1 宏觀檢測及分析

1.1 開裂管板的宏觀裂紋形貌

圖1是開裂管板的宏觀形貌。管程為兩管程，管束與管板通過氬弧焊焊接，管板表面有銹層，顏色為灰黑色。裂紋布滿整個管板表面，縱橫交錯，裂紋平直、細長，裂紋周圍沒有明顯的塑性變形，開裂為脆性開裂。圖2是換熱管周圍的裂紋，裂紋圍繞換熱管進行擴展。裂紋比較平直，細長，斷斷續續。

圖1 開裂管板的整體形貌Fig.1 Cracking tube plate

圖2 換熱管周圍裂紋的形貌Fig.2 Cracks around the tubes

宏觀檢驗可以看到，管板開裂為脆性開裂，裂紋周圍沒有明顯塑性變形。管板表面有多條裂紋縱橫交錯，呈龜裂狀，屬于多源裂紋。裂紋穿透管板，為穿透裂紋。從裂紋的位置看，裂紋不僅在管板的表面，在遠離換熱管處及管板的邊緣也有裂紋。

0Cr18Ni9是奧氏體不銹鋼，常溫具有很好的抗電化學腐蝕性能。高溫具有很好的抗高溫氧化性能，低溫具有很低的韌脆轉化溫度。具有很好的冷加工變形性能，是很好的塑性材料[1]。液氣化器管板，為鍛件，為了防止晶間腐蝕，鍛造后應進行固溶處

理（加熱到1 050 ℃后水冷）而不會開裂。

機械設備產生破壞失效的原因，可分為材料本身的原因即材料內部的缺陷等原因和受周圍環境及運行條件等因素影響的外部原因。在這樣的材質上產生脆性開裂的穿透型裂紋，可能是應力腐蝕，氫脆，晶間腐蝕，低溫冷脆，熱疲勞斷裂等[2]。影響因素很多，機理復雜，所以，應從內部因素和外部因素兩個方面進行進行綜合分析。

1.2 宏觀的初步分析與判斷

由現場觀察到的管板表面龜裂形貌來看可能是熱疲勞或應力腐蝕開裂。管板開裂是受到應力的作用而產生的。從運行參數來看，管程和殼程的壓力不大，（管程的工作壓力為0.02 MPa，殼程的工作壓力為0.4 MPa）管板的厚度為70 mm，所以，工作壓力產生的應力很小。而由管程和殼程的溫度差所產生的熱應力應該是主要因素（管程的設計溫度為－120 ℃/260 ℃，殼程的設計溫度為260 ℃）。從現場金相觀察可見，裂紋是穿晶斷裂，所以，可以排除晶間腐蝕的可能性。管板材料的金相組織為奧氏體，符合0Cr18Ni9的組織要求[3]，為了確定管板開裂的真實原因，化學成分、夾雜物、宏觀缺陷等需要進行檢驗。

2 微觀檢驗及分析

2.1 裂紋的形貌

圖3 管板表面管箱側裂紋的掃描電鏡圖Fig.3 Crack of tube box side

圖4 管板表面管箱側微裂紋的掃描電鏡圖Fig.4 Microcracks of tube box side

圖 3是管箱一側管板表面裂紋的掃面電鏡形貌。表面有一層氧化層。裂紋呈分叉狀，有一定的寬度，裂紋附近沒有塑性變形，是脆性開裂。將管板表面的氧化層（圓圈內的部位）放大到1 000倍進行觀察，圖 4。發現表面的氧化層有大量的顯微裂紋，呈龜裂狀，有的起層，有的剝落。此氧化層的微裂紋用肉眼很難觀察的到。氧化物具有很大的脆性，受應力作用很容易產生開裂。此龜裂裂紋是熱疲勞產生的，是管板產生開裂的源點。

圖5是裂紋的掃描電鏡圖片，裂紋垂直于管板表面，垂直向管板內部伸展，擴展過程中，生成許多枝杈。裂紋尖端非常細小，帶有枝杈。圖 6，是裂紋擴展的金相顯微鏡剖面圖。可見，裂紋形成于管板表面，垂直向管板內部進行擴展，裂紋穿過奧氏體的晶粒，在裂紋上有撕裂剝落的金屬顆粒，裂紋分成枝杈，在裂紋附近有細小的裂紋，裂紋穿過奧氏體晶粒進行擴展，遇到晶界處裂紋改變方向。說明，裂紋擴展是沿著奧氏體的某一晶面進行的，是穿晶脆性斷裂，即解理斷裂[4]。

圖5 管板剖面裂紋微觀形貌Fig.5 Sectional microstructure of tube plate cracks

圖6 裂紋的剖面顯微組織Fig.6 Sectional microstruc- ture cracks

2.2 化學成分分析

表1是管板的化學成分分析，含碳量略高于標準，硫含量略有超標,鉻含量略低于標準。碳含量高及鉻含量低易產生晶間腐蝕。硫含量超標易產生熱脆，非金屬夾雜物增多，降低鋼的韌性。

表1 化學成分分析Table 1 Chemical Analysis

2.3 金相檢驗

圖7是管板的金相組織。組織為奧氏體。晶粒大小均勻，晶粒度評級為5級。表面有顆粒狀夾雜物，判斷為Al2O3夾雜物。進行能譜面掃描，確定這些夾雜物是Al2O3夾雜物和硫化物。通過掃描電鏡背散射圖8，可見在裂紋的附近有較多的夾雜物。

圖7 管板的金相組織Fig.7 Microstructure of tube plate

圖8 管板裂紋附近夾雜物的分布（右側圖片為掃描電鏡背散射圖）Fig.8 Distribution inclusions near tube plate cracks (picture on the right is a scanning electron microscope back-scatter plot )

2.4 斷口檢驗

由圖9可以看到在斷口表面分布許多細小的顆粒，分析確定是具有氧化物的金屬顆粒。幵且在斷口表面有二次裂紋，是層狀撕裂形貌。圖10是清洗后的管板表面附近的斷口，斷口表面有臺階，有孔洞，臺階說明沿著某晶面開裂，孔洞是夾雜物。出現滑移臺階和二次裂紋，這些是剝落顆粒被擠壓的形貌。

圖9 斷口的掃描電鏡圖片Fig.9 SEM images of fracture

圖10 斷口清洗后掃描電鏡圖Fig.10 SEM images of cleaned fracture

2.5 殘余應力測試

采用應變儀對管板表面的殘余應力進行的測試圖。測試結果如表2。管板表面的各個方向上均具有壓應力。說明，管板在使用過程中，接觸低溫介質，管板中心收縮，產生的是徑向的拉應力，裂紋產生后，應力得到了釋放。當溫度回到常溫時，管板膨脹，但是，由于有裂紋存在，表面管板恢復不到原來的位置，則產生了壓應力。

表2 管板殘余應力測試值Table 2 Residual stress test tube plate value με

3 綜合分析與討論

3.1 管板材質的影響因素

管板的材質為0Cr18Ni9。化學成分顯示，含碳量、含硫量及含鉻量超標。含碳量高和含鉻量低，使鋼的抗晶間腐蝕能力下降，在晶界處容易析出Cr23C6的金屬化合物，在晶界附近含鉻量降低，從而降低晶界處的電極電位，使晶界成為陽極[5]。但是從以上分析來看，管板開裂滲漏幵非由晶間腐蝕產生。硫含量的超標，會形成非金屬硫化物，使鋼韌性下降。以上的試驗中，也看到鋼中含有較多的非金屬夾雜物。硫化物的走向與裂紋相垂直。雖不能說對管板開裂產生主要影響，但也說明材質沒有達到標準要求。從斷口的宏觀形貌上看，其氧化顏色呈灰紅色，應該是高溫400 ℃以上溫度才能產生的氧化顏色。而管板使用溫度最高只有260 ℃，那么裂紋的產生，可能是在加工過程中（鍛造或熱處理中）產生的。

3.2 熱疲勞的因素

由于環境溫度的交替變化引起熱應變循環導致疲勞失效稱為熱疲勞[6]。熱疲勞的裂紋是多源裂紋，表面呈龜裂狀，內部呈枝杈狀或較平直，裂紋中嵌入氧化物，斷口粗糙有氧化物覆蓋，呈褐色或深灰。開裂的管板由于受較大的溫度差，運行幵不連續，符合低周熱疲勞的環境條件。管板表面裂紋的形貌呈龜裂狀，內部裂紋呈枝杈狀，斷口表面有氧化物覆蓋，裂紋中有氧化物嵌入。從管板表面氧化物的掃描電鏡圖中可見，表面有大量的顯微裂紋，裂紋呈龜裂狀，有明顯的熱疲勞特征。從掃描電鏡的斷口形貌觀察，有剝落金屬顆粒擠壓的痕跡，應力測試也顯示，管板停止使用的情況下，內部具有擠壓應力。說明管板受到拉壓應力的交替作用。

3.3 應力腐蝕的因素

不銹鋼在特定的腐蝕性介質和拉應力(可以是焊接、彎曲或其它成形工藝引起的殘余應力，也可以是內壓、機械載荷或熱膨脹引起的應力)的同時作用下會出現低于強度極限的脆性開裂現象，稱為應力腐蝕。應力腐蝕斷裂過程可分為三個階段：萌生

階段、裂紋擴展階段和失穩斷裂階段[7]。奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂為穿晶斷裂，裂紋從表面開始，裂紋分叉，有二次裂紋。裂紋走向與正應力垂直。這些特點與實驗結果相一致。不同成分的合金產生應力腐蝕介質是不同的。奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕的介質有 Cl-，OH-，H2SO4等[8]。管板開裂是從管箱一側開始的。管程的介質為乙烯，而非電解質，但是乙烯介質中含有一定量的氧氣，水蒸氣等，雖然含量較少，但隨著乙烯的蒸發也會有少量水殘留在裂紋乊中。

另外，管箱中的介質使管板表面產生了化學腐蝕，形成了氧化層，幵且管板表面的氧化層產生有大量的顯微龜裂裂紋，是裂紋形成的源點。從斷口掃描電鏡中可以看到，斷口表面也產生了氧化。幵且，氧化物上存在很多微小的裂紋。

4 結論與建議

本研究得到以下結論：（1）管板的化學成分與標準不符，含碳量、含硫量高，含鉻量低，夾雜物多。（2）管板開裂為脆性斷裂和正斷斷裂。裂紋擴展過程中有分叉，裂紋是沿著奧氏體的某一晶面開裂的。（3）裂紋從管箱一側的管板表面首先形成，管板表面氧化層上的顯微裂紋是裂紋形成的源點。低溫是管板變脆的原因。管程中的介質使管板表面產生氧化層以及溫度差所產生的熱應變循環作用是裂紋產生及擴展的原因。 建議：（1）在管板生產加工過程中，選擇符合標準的材料，對管板鍛件進行嚴格的無損檢測，防止表面和內部存在不允許的缺陷。提高管板表面的加工精度。固溶處理采用深冷處理，防止奧氏體在使用過程中向馬氏體進行轉變。（2）在對乙烯氣化前，盡量對其進行升溫，防止由于溫度差過大而產生大的熱應力。（3）對此材料的低溫性能和組織性能進行深入研究，確定其是否能滿足使用要求。

［1］蘭州石油機械研究所．換熱器（中冊）[M]．北京：烴加工出版社，1988：67-132．

［2］中國科學院應用化學研究所金屬腐蝕組．換熱器管板的腐蝕與防護[J]．金屬腐蝕與防護，1974，13（1）：38-42．

［3］馮端．金屬物理學[M]．北京：科學出版社，1998：132-143．

［4］A.L. Schaeffler. Constitution diagram of stainless steel weld metal [J]. Metal Prog,1949, 56(6):680-688.

［5］熊建鋼，胡乾午，謝明立，等．不銹鋼換熱器失效原因分析[J]．物理測試，2001，19（5）：14-17．

［6］R.B.Tait, J.Press. An Experimental Study of the Residual Stresses and their Alleviation in Tube to Tube-Sheet Welds of Industrial Boilers[J]. Engineering Failure Analysis, 2001(8): 15-27.

［7］陶春虎，杜楠，張衛方．失效分析發展問題的思考[J]．失效分析與預防，2006，1（1）：1-5．

［8］王培銘, 許乾慰. 材料研究方法[M]. 北京： 科學出版社,2005:78-85.

Analysis on Cracking Leakage of Tube-plate

DU Shou-xin, SU Hui, LV Bo-lin
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001）

The problem of cracking and leakage about the tube-plate of torch cold liquid vaporizer was studied by the methods of macroscopic observation, metallurgical analysis, scanning electron microscopy (SEM), EDX chemical composition and so on. The results show that, chemical composition of the tube-plate does not match the standard; oxide scale on the surface of tube plate and cyclic thermal strain generated by the temperature difference are main reasons to cause cracks. At last, improvements were put forward.

Tube plate cracking; Failure analysis; Improvement program

TQ 051

A

1671-0460（2014）10-2032-04

2014-03-15

杜守信（1988-），男，遼寧撫順人，碩士，2014年畢業于遼寧石油化工大學材料學專業，研究方向：失效分析及壽命評估。E-mail：dsx01@163.com。

蘇輝（1961-），男，副教授，碩士，研究方向：失效分析及壽命評估。E-mail：suhui0405@126.com。