2205 雙相不銹鋼換熱器管板開裂分析與思考

孫 濱

(蘭州金峰包裝制品有限公司，甘肅 蘭州 730060)

雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體不銹鋼相比，其塑性、韌性更高，無室溫脆性，且焊接性能顯著提高，但是也保持了鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性。與奧氏體不銹鋼相比，強度高、導熱系數(shù)高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕性能大幅度提高。2205 雙相不銹鋼是所有雙相不銹鋼中應用最多的鋼種，在石化行業(yè)也得到廣泛的應用。某煉油廠蒸餾裝置常壓塔頂循換熱器采用2205 雙相不銹鋼制造，使用一周期(3 年)發(fā)現(xiàn)管板出現(xiàn)大量細小裂紋。文章就此問題展開分析討論，找出開裂原因和預防措施。

1 開裂情況

該換熱器是常壓塔頂循第1 級換熱器，管程介質(zhì)是頂循油，壓力0.92 MPa，入口溫度138 ℃，出口溫度119 ℃;殼程介質(zhì)是原油，壓力2.5 MPa，入口溫度60 ℃，出口溫度97 ℃。換熱器打開經(jīng)沖洗后，宏觀上看表面干凈整潔(見圖1)，放大觀察可發(fā)現(xiàn)管板上存在很多細小裂紋，其放大50 倍照片見圖2。所有裂紋均處在管板母材上，焊接部位未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2 理化檢查

2.1 元素、鐵素體與硬度測試

采用NITON XLT XRF 合金光譜儀對換熱器管板合金元素測定，結(jié)果見表1。由表1 數(shù)據(jù)可看出，材料主要成分符合標準要求。

圖1 換熱器沖洗后形貌

圖2 管板上的細小裂紋50 ×

表1 換熱器管板合金元素測定結(jié)果 w，%

采用FERITSCOPE FMP30 鐵素體測量儀與TH-160 里氏硬度計測試鐵素體含量及硬度，測定結(jié)果見表2。由表2 看出，母材鐵素體含量偏低，焊縫正常;開裂部位硬度偏高。

表2 鐵素體含量及硬度測定結(jié)果

2.2 金相檢查

圖3 是開裂部位的金相照片。由圖3a、圖3b可以看出:管板材料組織是奧氏體+鐵素體，同時注意到，管板材料經(jīng)過軋制處理，鐵素體被拉長，沿軋制方向?qū)訝罘植?裂紋在材料內(nèi)部擴展，呈樹枝狀，沿晶、穿晶皆有;金相照片上出現(xiàn)白色亮點，應是有新相析出。

3 分析與討論

3.1 介質(zhì)因素

該換熱器管程介質(zhì)為頂循油。經(jīng)過電脫鹽裝置后原油中的鹽類仍有殘余，在一定條件下水解會生成HCl，在常壓塔頂部聚集。在頂循油中同時含有少量的HCl 和少量的水蒸汽，經(jīng)過頂循泵的加壓以及換熱器的冷卻可在局部生成鹽酸，腐蝕性很強。檢修過程中發(fā)現(xiàn)，在頂循油抽出泵出口第一個彎頭有氯化銨沉積。因此該換熱器的腐蝕主要是氯離子引起的。

3.2 材質(zhì)因素

2205 雙相不銹鋼的耐蝕性能與其組織中奧氏體、鐵素體的比例以及析出相關系密切，一般而言，奧氏體與鐵素體的比例為1∶1(50%∶50%)且沒有析出相時耐蝕性能最佳，該案例中2205 雙相不銹鋼母材中鐵素體體積分數(shù)僅為40%左右，且有析出相，因此其耐蝕性能較差，遇到富含氯離子的介質(zhì)，導致發(fā)生氯化物應力腐蝕開裂。

3.3 使用2205 雙相不銹鋼的思考

2205 雙相不銹鋼的耐蝕性能在奧氏體與鐵素體的比例為1∶1(50%∶50%)且沒有析出相時最佳。2205 雙相不銹鋼在成分合格的情況下，組織中的奧氏體與鐵素體的比例主要由其固溶處理溫度決定。研究表明:在固溶處理時，隨著固溶溫度升高，2205 雙相不銹鋼組織內(nèi)的鐵素體含量逐漸增加;固溶處理后，溫度低于800 ℃的熱處理對雙相不銹鋼組織中的奧氏體與鐵素體的比例基本不產(chǎn)生影響［1-2］。該案例中換熱器管板采用2205 +碳鋼復合制造，2205 復合層成分合格，因此可認定該2205 原材料固溶處理溫度不合適，導致鐵素體在組織中的比例偏低。所以建議使用2205 雙相不銹鋼制作設備時，應具有嚴格的檢驗制度，避免具有缺陷的材料在產(chǎn)品中使用。采用2205 雙相不銹鋼復合板是一個值得思考的問題，由于爆炸復合后需要進行消除應力退火處理［3］，相當于對2205 雙相不銹鋼進行時效處理，不可避免的導致σ 相析出，由于σ 相富含Cr 和Mo，且脆性很大，對2205 雙相不銹鋼的耐蝕性帶來非常不利的影響［4-5］。案例中金相觀察發(fā)現(xiàn)有新相析出，同時硬度偏大，這應是消除應力退火處理導致的問題。因此2205 雙相不銹鋼不建議使用復合板材料。

4 結(jié)論

(1)該換熱器2205 雙相不銹鋼管板開裂是由于組織中鐵素體含量偏低引起的氯化物應力腐蝕開裂;

(2)使用2205 雙相不銹鋼應具有嚴格的檢驗制度，避免具有缺陷的材料在產(chǎn)品中使用。

(3)由于爆炸復合后需要進行消除應力退火處理，相當于對2205 雙相不銹鋼進行時效處理，不可避免的導致σ 相析出，因此不建議使用2205雙相不銹鋼的復合板材料。

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