E- GAS氣化焦過濾器伴熱盤管泄漏分析

熊江（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州516086）

1 工藝說明

惠州石化煤制氫裝置采用E-Gas氣化技術(shù)，使用兩段式水煤漿加壓工藝生產(chǎn)合成氣，同時副產(chǎn)超高壓蒸汽。E-Gas氣化技術(shù)中合成氣的除塵和凈化采用干法過濾除塵技術(shù)，通過焦過濾器來除去合成氣中夾帶的固體顆粒，焦過濾器內(nèi)部的金屬纖維氈濾芯過濾粗合成氣中固體顆粒，該濾芯必須在干燥的環(huán)境中才能有效運行，由于合成氣中含有水蒸汽，為了保證合成氣在焦過濾內(nèi)部不出現(xiàn)冷凝損壞濾芯，焦過濾殼體使用高壓蒸汽伴熱盤管伴熱，伴熱盤管的運行好壞直接影響到了焦過濾使用效果。

2 伴熱盤管泄漏情況描述

氣化裝置焦過濾器于2018年10月1日投入使用，2019年3月28 日發(fā)生了泄漏，初步檢查發(fā)現(xiàn)盤管存在多處開裂。有關(guān)焦過濾器伴熱盤管的相關(guān)參數(shù)，詳見表1。

表1 伴熱盤管的基本情況

3 檢驗分析

3.1 伴熱盤管的宏觀、低倍分析

取泄漏位置的一段作為樣品進行分析（長約270mm，帶有一定曲率的彎管）。在盤管的外側(cè)，泄漏點為橫向（環(huán)向）裂紋，見圖1。在盤管泄漏點的內(nèi)壁有腐蝕發(fā)生，見圖2。

圖1 伴熱盤管的外壁裂紋

圖2 伴熱盤管的內(nèi)壁裂紋

3.2 伴熱盤管的材質(zhì)分析

從盤管（B）上切取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標準，使用光譜儀等，對盤管材質(zhì)進行化學(xué)分析。結(jié)果表明，盤管材質(zhì)成分符合304不銹鋼的標準要求，見表2。

表2 盤管材質(zhì)成分化學(xué)分析（wt%）

3.3 伴熱盤管的金相分析

從盤管上切取橫、縱向金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。盤管橫向金相組織為單相奧氏體，見圖3。盤管金相組織有晶間腐蝕傾向，參照GB/T 4334.1-2000 標準，盤管的晶間腐蝕程度為三類-溝狀組織。

裂紋起源于盤管內(nèi)壁，沿晶向外擴展，具有晶間應(yīng)力腐蝕破壞的特征；在盤管的內(nèi)壁邊緣處，晶間腐蝕較為嚴重，局部還有鼓包發(fā)生，見圖4至圖6。

圖3 盤管的晶間腐蝕程度

圖4管內(nèi)壁邊緣晶間腐蝕較重

圖5 盤管內(nèi)壁腐蝕程度

圖6 內(nèi)壁局部有鼓包發(fā)生

3.4 伴熱盤管的電鏡分析

圖7 盤管斷口的低倍形貌（裂紋打開后形成的）

圖8 盤管斷口1處的SEM+EDS

將盤管上的裂紋人為地打開，得到一個盤管斷口。觀察可見，盤管斷口上存在著三個不同的特征區(qū)域，其中1、3區(qū)域呈黑灰色；2 區(qū)域呈棕紅色，見圖7。選擇1、2 兩個特征區(qū)域進行電鏡分析。

盤管斷口1 區(qū)表面覆蓋著很厚的腐蝕產(chǎn)物，主要為鐵的氧化物，見圖8。

3.5 分析與討論

前面對失效的伴熱盤管進行了多項理化檢驗分析，認為伴熱盤管的失效性質(zhì)為Cr-Ni奧氏體不銹鋼晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

盤管晶間應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生主要與其敏化的材質(zhì)、接觸的環(huán)境介質(zhì)及受力狀態(tài)等因素有關(guān)。

（1）金相分析確認，盤管金相組織發(fā)生了一定程度的敏化，晶間腐蝕程度為三類-溝狀組織。晶間腐蝕的發(fā)生會在一定程度上降低304不銹鋼盤管的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能。

（2）研究表明，對于Cr-Ni 型奧氏體不銹鋼，在高溫水和水蒸氣中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的Cl-濃度門檻值是很低的。在有溶解氧存在時，幾乎只要有Cl-存在，就可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。極端情況下，熱水鍋爐及熱交換器等設(shè)備中雖然介質(zhì)中的Cl-含量很低，但會因水的沸騰而使Cl-濃縮。例如曾有典型案例，介質(zhì)中Cl-含量僅為1mg/L，在氣相處也發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂[2、3]。另有在高溫水中，溶解氧對奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂影響很大，它與Cl-共存可增加應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。一般認為，沒有氧存在，僅含有微量Cl-，引起Cr-Ni 不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂是相當(dāng)困難的。若有氧存在時，即使Cl-含量為小于0.1mg/L的高純水，也能使Cr-Ni不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。另外，裝置運行過程中，S元素在蒸汽中如果以H2S的形式存在，會在換熱管表面形成FeS。FeS 在停工或檢修過程中遇到氧和空氣生成的連多硫酸，是不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的特定介質(zhì)。連多硫酸造成的奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕多為沿晶開裂。

對盤管斷口的掃描電鏡能譜分析，也表明再斷口上（尤其是盤管內(nèi)壁裂紋源處）有Cl、S、O 等腐蝕性介質(zhì)的存在和局部富集。

（3）還有研究表明，在高溫水環(huán)境中，奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂所需要的應(yīng)力值也很低，一種說法為3.5MPa，另一種說法為在1.4MPa 的應(yīng)力下也可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。而伴熱盤管服役時的工作應(yīng)力是3.6MPa，加之，伴熱盤管在其彎管加工過程中，盤管外弧側(cè)也會有殘余拉應(yīng)力存在，殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力，會使得盤管外弧側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)完全具備應(yīng)力腐蝕開裂的條件。

由此可見，伴熱盤管的泄漏是在其材質(zhì)敏化、Cl、S、O 等介質(zhì)腐蝕并受到足夠大的拉應(yīng)力作用下，發(fā)生的晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

4 結(jié)語

（1）伴熱盤管材質(zhì)符合304 不銹鋼的標準要求。（2）伴熱盤管金相組織為奧氏體，但存在敏化傾向，盤管晶間腐蝕程度為三類-溝狀組織。（3）伴熱盤管開裂失效性質(zhì)為晶間應(yīng)力腐蝕破壞。造成盤管發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素是：敏化的盤管材質(zhì)，盤管內(nèi)蒸汽中含有的Cl、S、O等介質(zhì)的腐蝕破壞作用及盤管外弧側(cè)受到的拉應(yīng)力（彎管加工后的殘余應(yīng)力和盤管工作應(yīng)力）等。（4）為防止此類故障再次發(fā)生，后續(xù)可以考慮將盤管材質(zhì)由304不銹鋼升級為Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金。