板式換熱器頂板腐蝕泄漏原因分析

(中國石化揚子石油化工有限公司,江蘇 南京 210048)

1 泄漏情況

某公司常減壓蒸餾裝置常壓塔頂換熱器E-2101B為板式換熱器，板片材質為鈦材，型號為CPX75。E-2101B殼程介質為原油，設計壓力為2.7 MPa，設計溫度為112 ℃，最高工作壓力為1.9 MPa，實際工作溫度為40～92 ℃；管程介質為常頂油氣，設計壓力為1.9 MPa，設計溫度為270 ℃，實際工作壓力為0.1 MPa，實際工作溫度為90～137 ℃。

2017年7月，E-2101B正式投入使用，2018年9月對該設備清洗維護，在板束射流清洗完回裝投運過程中發現泄漏。整個設備共有8塊小頂板，其中僅1塊頂板發生泄漏，泄漏區長度為該塊頂板長度的1/2，見圖1。

圖1 E-2101B頂板泄漏形貌

2 泄漏原因分析

2.1 宏觀分析

頂板泄漏區局部腐蝕已穿透板壁(編號為1號樣品)，其他區域發生腐蝕但未穿透板壁(編號為2號樣品)，見圖2。根據腐蝕特征可以判斷腐蝕起源于換熱器與管程介質常頂油氣接觸的表面，在頂板腐蝕區域表面有黃褐色腐蝕產物。

圖2 E-2101B頂板泄漏宏觀形貌

2.2 金相組織分析

分別垂直于腐蝕區域截取1號、2號樣品剖面試樣，經鑲嵌、研磨和拋光，置于顯微鏡下觀察，觀察結果見圖3。1號和2號樣品的泄漏區腐蝕產物均呈層狀分布，腐蝕沿α相晶粒發展，基體顯微組織均為單相α鈦。

圖3 頂板樣品的金相組織

2.3 微觀形貌分析

分別將1號樣品和2號樣品置于掃描電鏡(SEM)下觀察，圖4為1號樣品泄漏區表面的SEM形貌?？梢钥闯?，未清洗泄漏區表面被腐蝕產物覆蓋，清洗后泄漏區形貌為鱗狀剝離特征，局部未被腐蝕產物覆蓋處為沿晶+穿晶形貌。圖5為2號樣品腐蝕區表面的SEM形貌?？梢钥闯觯g區呈鱗狀剝落特征，其他腐蝕區表面未見明顯的腐蝕。

圖4 1號樣品泄漏區的SEM形貌

圖5 2號樣品泄漏區的SEM形貌

2.4 力學性能和硬度檢測

截取泄漏頂板部分加工成拉伸試樣，進行力學性能測定，結果見表1。

表1 頂板力學性能檢測結果

結果顯示，泄漏頂板試樣的規定塑性延伸強度和抗拉強度滿足GB/T 14845—2007《板式換熱器用鈦板》的規定值，而伸長率達不到標準要求。

分別截取泄漏區和未泄漏區部位頂板作為硬度試樣，采用9.807 N試驗力進行維氏硬度檢驗，結果見表2。

表2 頂板維氏硬度檢測結果

結果顯示，頂板折彎處的硬度較高，泄漏區的硬度略高于未泄漏區的硬度。

2.5 能譜分析

對1號、2號樣品腐蝕區域表面元素進行能譜定性及半定量分析，結果見圖6和圖7。清洗前泄漏表面不同部位產物中除基體元素Ti以外均含有O，Al，Si，S，Cl，K，Ca和Fe等元素。能譜分析結果顯示，產物中主要腐蝕性元素為S和Cl，在泄漏區域不同部位存在Fe元素。腐蝕產物剖面線掃描顯示存在S，Cl和Fe等元素(見圖8)。

圖6 1號樣品泄漏區能譜分析結果

圖7 2號樣品泄漏區能譜分析結果

3 腐蝕原因分析

局部腐蝕穿孔引起E-2101B頂板泄漏，泄漏區域的宏觀和微觀特征顯示為表面脆化和鱗片狀剝落。能譜分析結果顯示，鱗片狀產物中含有S，Cl腐蝕性元素和鐵元素；泄漏區的硬度高于未泄漏區。這些分析結果表明，吸氫所導致的表面脆化和鱗片狀剝落是造成換熱器腐蝕穿孔失效的主要原因。

圖8 腐蝕產物線掃描元素分布

發生吸氫脆化剝落的主要原因是E-2101B在制造或安裝過程中局部區域發生了鐵污染， 鐵污染對鈦設備造成的危害是通過電化學腐蝕過程而作用到設備上的。

在特定介質中，鈦具有優異的耐腐蝕性能， 但如果遇到鈦表面的鐵污染，且當鈦表面具有氧化膜時， 使其具有了惰性， 從而使鈦成為電偶腐蝕中的陰極，而鐵則成為陽極，于是形成了電偶腐蝕。此時具有氧化膜的鈦表面發生析氫腐蝕，造成氫脆。

在制造過程中，被鐵污染處的鈦鈍化膜破壞，而表面具有鈍化膜的鈦與未被鈍化膜覆蓋的鈦的電極電位是不同的， 從而發生電化學腐蝕。另外，當鈦處于活態時， 由于鈦的標準電極電位(-1.63 V)比鐵的標準電極電位(-0.44 V)低，鈦會加速腐蝕。

鈦非常容易吸收氫、氧和氮，特別是氫。因為氫原子尺寸小，擴散速度較快，即使溫度不高時也容易被鈦吸收，生成氫化鈦(TiH2)，導致鈦脆化，從而使鈦發生體積膨脹，產生晶間應力，進而形成裂紋。

4 結 論

換熱器鈦板在制造或安裝過程中局部區域發生了鐵污染，在環境介質作用下，發生電化學反應，導致材料吸氫，使其表面脆化和鱗片狀剝落，這是造成E-2101B板式換熱器頂板腐蝕穿孔、進而泄漏失效的主要原因。