重沸器裂紋原因分析

1 基本情況

某廠塔下重沸器，設備型號BIU1100-2.5/2.5-330-6/25-4I，殼程工作介質為輕烴，入/出口溫度167℃，操作壓力為0.74MPa；管程介質為蒸汽，入口溫度179℃，換熱管材質為0Cr18Ni9。日常運行時采用硫酸做催化劑，停工時用堿清洗。投入使用一年內，由于換熱管泄漏三次停工檢修堵漏。后停止使用，將管束抽出后發現位于設備下方的多根換熱管出現橫向裂紋。

2 金相檢驗

將帶有裂紋的換熱管制備成金相試樣后，在掃描電子顯微鏡下觀察發現，裂紋從換熱管外壁起裂并向內壁擴展。裂紋多呈樹枝狀，并且尾部尖銳，是以沿晶為主同時伴有穿晶裂紋的混合型裂紋，具有典型的應力腐蝕開裂特征。

3 斷口掃描及腐蝕產物分析

對裂紋斷口進行電鏡掃描發現裂紋為沿晶裂紋加穿晶裂紋，其中的穿晶裂紋以解理斷裂為主。

對腐蝕產物進行分析，表面腐蝕產物為硫化物。

4 化學成分分析

由實測的成分分析根據GB13296-2007標準判定，C含量處于上限，Mn、P含量超標，Ni含量低于標準值。

5 原因分析

（1）換熱器管程為水蒸汽，溫度較高，殼程介質換熱后獲得較高的溫度，近期研究表明，對某些原有環烷酸腐蝕的溫度范圍為170℃～400℃，溫度較低時基本不發生腐蝕，170℃～190℃時即可發生明顯腐蝕，190℃～210℃時腐蝕性最強。由于殼程介質中總是含有硫化氫等活性硫化物，環烷酸腐蝕和硫腐蝕在此溫度條件下交互作用相互促進。

（2）換熱管的表面在該工藝條件下生成硫化鐵。當裝置停車時溫度降低，硫化鐵、水分和空氣相接觸，發生反應，生成連多硫酸H2SxO6（x=3，4，5），在拉應力的共同作用下導致不銹鋼發生應力腐蝕開裂。連多硫酸生成的反應方程式如下：

3FeS+5O2→Fe2O3·FeO+3SO2

SO2+H2O→H2SO3

H2SO3+1/2O2→H2SO4

FeS+H2SO3→mH2SxO6+nFe

FeS+H2SO4→FeSO4+H2S

H2SO3+H2S→mH2SxO6+nS

FeS+H2SxO6→FeSxO6+H2S

（3）殼程加入硫酸作為催化劑，高溫下生成硫酸和亞硫酸的混合物，為0Cr18Ni9腐蝕敏感的硫化物。隨著設備的運行，腐蝕介質在出口附近的換熱管底部聚集導致腐蝕介質濃度增加，極大地提高了應力腐蝕開裂的敏感性。

（4）在工藝流程中使用硫酸作催化劑，停工時用堿清洗，使用的水中不同程度有殘留的氯離子，促進了應力腐蝕裂紋的發生。

（5）由實測的成分看，C含量處于上限，Mn和P的含量超標而Ni的含量不足，說明換熱管本身材質不符合標準要求，腐蝕性降低，在特定的工況下腐蝕發生的幾率更大。

由上所述，在裝置運行的溫度、介質、操作條件下換熱管發生了應力腐蝕開裂，換熱管原材料的不合格加劇了這種腐蝕現象。

6 改進措施

防止應力腐蝕開裂一般應從材料、制造和操作環境三方面入手。

（1）材料方面

一般應選用超低碳鋼型（C≤0.03%）或穩定型的不銹鋼或者加入Ti、Nb等穩定化元素的不銹鋼，采用奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼也有較好的使用效果，也可以選用滲鋁管、08Cr2AlMo管等對連多硫酸應力腐蝕開裂不敏感的材料。

（2）制造方面

要合理安排施工，優化工序，盡量減輕冷加工、裝配和焊接過程引起的殘余應力。

（3）操作環境方面

在裝置停工時，采取措施抑制連多硫酸生成或用中和溶液將形成的連多硫酸中和掉；也可以用惰性氣體進行封閉，隔絕空氣進入設備；或者向系統中供給一定的熱量，以防止水汽凝出等，這些措施都可以抑制連多硫酸的生成。