循環油蒸汽發生器管束斷裂的原因分析

馬 奎,謝培軍,宋啟祥,劉宏超,孫 振,張 鵬,宮 超,張 微,宋瑞艷

(1.新疆天雨煤化工集團有限公司,烏魯木齊830000;2.上海藍濱石化設備有限責任公司,上海201518)

循環油漿蒸汽發生器是煉油廠催化裂化裝置分餾系統中重要的換熱設備,多為浮頭式結構,管程介質為高溫油漿,殼程介質為中壓蒸氣、水,管束材料為碳鋼。由于該設備的操作溫度和操作壓力較高,大多設備的管板或管頭焊縫在投運之后不久即發生開裂失效,嚴重影響設備的安全平穩運行。管板或管頭焊縫開裂是蒸汽發生器常見的失效模式。管孔與換熱管之間脹接不良或運行過程中管束振動等原因會導致管束松動而產生間隙,腐蝕性介質易在間隙內濃縮,從而導致管板或管頭焊縫應力腐蝕開裂。不少研究者通過分析生產工藝和操作介質后認為,應力腐蝕和疲勞是導致管板或管頭焊縫開裂的主要原因[1-5]。

某煤化工企業一臺循環油蒸汽發生器投運不久,在系統進行動力電源切換時設備管程進口側的循環增壓泵發生斷電停車。從實時監測的數據分析可知,循環泵跳停的瞬間,設備管程出口壓力突然降低,同時殼程溫度、壓力和液位幾乎同時升高,最終導致設備殼程側2個安全閥緊急開啟,與安全閥出口相連的蒸汽總管上的緊急放散裝置超壓泄放,瞬間排放出大量的油氣和蒸汽。

該循環油蒸汽發生器為“高-低”U形管螺紋鎖緊環釜式換熱器,其結構如圖1所示,主要受壓元件為管箱/管板(12Cr2Mo1鋼,堆焊焊接,管板厚度為200 mm+6.5 mm),換熱管(S32168鋼),殼程和殼體(Q345R鋼)。管程、殼程的設計壓力分別為16.9、 8.0 MPa,設計溫度分別為440、330 ℃。換熱管與管板的連接形式為強度焊+貼脹,管程操作介質為循環油、H2、H2S、NH3等,殼程操作介質為除氧鍋爐水(pH 8.8～9.6,含阻垢劑Na3PO4和除氧劑亞硫酸鹽)和蒸汽。

圖1 循環油蒸汽發生器結構示意Fig.1 Schematic diagram of circulating oil steam generator

1 理化檢驗與結果

1.1 現場檢查

經現場檢查發現,該循環油蒸汽發生器的管束下部最外圍1根換熱管從貼脹部位(距管板殼程側70 mm處)發生環向斷裂,斷裂后的換熱管向后位移、變形,見圖2。

(a) 斷裂

(b) 位移、變形圖2 循環油蒸汽發生器換熱管失效形貌Fig.2 Failure appearance of heat exchange tubes of circulating oil steam generator: (a) rupture; (b) displacement and deformation

1.2 返廠檢查

將循環油蒸汽發生器返廠進行全面檢測。

1) 根據NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》對設備上所有A、B、D類焊接接頭進行超聲波檢測、磁粉檢測和滲透檢測,結果未檢出超標缺陷;

2) 對管板管程側端面及換熱管內壁30 mm處進行滲透檢測,結果未檢出超標缺陷;

3) 對取樣管束的直管段進行渦流檢測,結果未檢出超標缺陷;

4) 對換熱管管頭內壁(包括脹接部位)用內窺鏡進行目視檢查,除發現脹接過渡線及脹桿摩擦痕跡外,未檢出其他可見缺陷。

為檢查斷裂換熱管兩端換熱管管頭及焊接接頭部位是否存在其他缺陷,銑削管頭焊縫金屬后進行滲透檢測,結果發現該管外壁的焊縫根部有缺陷。為驗證缺陷是否具有普遍性,再次隨機抽取6根換熱管,銑削管頭焊縫金屬后進行滲透檢測。結果發現:當銑削深度1 mm時,未檢出超標缺陷;當銑削深度超過2～3 mm時,換熱管外壁的焊縫根部和熱影響區存在超標缺陷。

1.3 取樣檢查

為進一步分析換熱管失效原因,分別對取樣管段內外管壁進行滲透檢測,并對該管段的化學成分、組織和裂紋形貌、力學性能、斷口形貌以及斷口垢物成分進行了分析。

1.3.1 內外管壁滲透檢測

通過對管段進行滲透檢測發現管外壁多處存在裂紋,距管口端面12～16 mm范圍內,沿換熱管圓周方向均有裂紋,裂紋細小、數量較多;距管頭39、52、65 mm處也有微裂紋存在,此處裂紋擴展方向與管軸向呈45°角,裂紋細小、較直、無分叉。為后續方便說明,對裂紋區域進行劃分,見圖3。滲透檢驗結果顯示,A區域裂紋啟裂于外壁,并向內壁擴展,B、C、D區域外壁均有微裂紋存在,內壁無裂紋,如圖4所示,可見失效換熱管的裂紋啟裂于管外壁。

圖3 管段外壁裂紋區域劃分Fig.3 Division of crack area on outer wall of pipe section

圖4 管段內壁滲透檢測結果(剖視)Fig.4 Penetrant test result of inner wall of pipe section (section view)

1.3.2 化學成分分析

根據GB/T 223系列標準對失效管段進行化學成分分析,結果見表1,其化學成分符合GB/T 12771—2019《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》中對于S32168鋼化學成分的規定。

表1 失效管段的化學成分及標準Tab.1 Chemical composition of failed pipe section and standard

1.3.3 組織和裂紋形貌分析

從圖3中失效管段的4個裂紋區域取樣,依據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行組織和裂紋形貌觀察。其中,1#試樣以管段橫截面為檢驗面,2#、3#、4#試樣以管段縱截面為檢驗面,結果見圖5～8。結果表明,管段組織主要為奧氏體,其中有呈點狀、鏈狀分布的析出相。

(a) 內壁

(b) 芯部

(c) 外壁圖5 1#試樣橫截面不同部位的顯微組織Fig.5 Microstructure of different parts on cross-section of sample 1#: (a) inner wall; (b) centre; (b) outer wall

(a) 內壁

(b) 芯部

(c) 外壁圖6 2#試樣縱截面不同部位的顯微組織Fig.6 Microstructure of different parts on longitudinal section of sample 2#: (a) inner wall; (b) centre; (b) outer wall

(a) 顯微組織

(b) 裂紋形貌1

(c) 裂紋形貌2圖7 3#試樣的顯微組織和裂紋形貌Fig.7 Microstructure (a) and crack morphology (b, c) of sample 3#

(a) 顯微組織

(b) 裂紋形貌1

(c) 裂紋形貌2

(d) 裂紋尖端形貌圖8 4#試樣的顯微組織和裂紋形貌Fig.8 Microstructure (a), crack morphology (b, c) and crack tip morphology (d) of sample 4#

1.3.4 力學性能測試

依據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,從管段不同區域取樣進行硬度檢測,每個試樣選3個點測試,結果見表2。結果表明,管段不同區域的硬度正常,但脹接管段和過渡區硬度略高,表明此處管壁應力較未脹接區大。

表2 管段不同區域硬度測定結果Tab.2 Results of hardness testing for different zones of pipe section

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》的規定,從管段取樣進行拉伸試驗,共進行了3次試驗,結果見表3。結果表明,該管段拉伸性能符合GB/T 12771—2019中對S32168鋼的相應規定。

表3 管段的拉伸性能及標準Tab.3 Tensile properties of pipe section and standard

1.3.5 斷口形貌分析

1#試樣的斷口宏觀形貌如圖9(a)所示,其表面呈黑褐色,存在由外壁向內壁的擴展裂紋,斷面平整,存在金屬小顆粒。用掃描電鏡對斷口進行觀察,結果如圖9(b)～(d)。可見,管段存在由外向內的擴展裂紋,裂紋從外壁向內擴展到1/3壁厚處，且呈沿晶開裂特征,斷口表面有較多附著物,近內壁斷口存在韌窩特征。

(a) 宏觀形貌

(b) 微觀形貌

(c) 微觀形貌,內壁

(d) 微觀形貌,裂紋尖端圖9 1#試樣的斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of sample 1#: (a) macrograph; (b) micrograph; (c) micrograph, inner wall; (d) micrograph, crack tip

2#試樣的斷口宏觀形貌如圖10(a)所示,斷面平整、呈黑灰色,存在由外向內的擴展裂紋。其微觀形貌見圖10(b)～(e)，裂紋源區、擴展區、裂紋尖端均呈沿晶開裂特征,斷面呈塊狀,并存在二次裂紋,晶面附著有顆粒狀垢物。

(a) 宏觀形貌

(b) 微觀形貌

(c) 微觀形貌,裂紋源區

(d) 微觀形貌,裂紋擴展區

(e) 微觀形貌,裂紋尖端圖10 2#試樣的斷口形貌Fig.10 Fracture morphology of sample 2#: (a) macrograph; (b) micrograph; (c) micrograph, crack source zone; (d) micrograph, crack growth zone; (e) micrograph, crack tip

3#試樣的斷口宏觀形貌如圖11(a)所示,斷面平整,呈亮灰色,存在由外向內的擴展裂紋。其微觀形貌見圖11(b)～(e),裂紋源區120 μm范圍內存在河流狀花樣,呈解理擴展特征,擴展區、裂紋尖端以沿晶擴展特征為主,并伴有解理特征和二次裂紋。

(a) 宏觀形貌

(b) 微觀形貌

(c) 微觀形貌,裂紋源區

(d) 微觀形貌,裂紋擴展區

(e) 微觀形貌,裂紋尖端圖11 3#試樣的斷口形貌Fig.11 Fracture morphology of sample 3#: (a) macrograph; (b) micrograph; (c) micrograph, crack source zone; (d) micrograph, crack growth zone; (e) micrograph, crack tip

1.3.6 斷口垢物成分分析

對斷口表面附著的垢物進行能譜分析,結果見表4。能譜分析結果顯示,垢物中含有較多的C、O、Na、Cl等元素,以及少量的Si、P、S、K、Ti、Cr等元素。

表4 斷口表面垢物化學成分Tab.4 Chemical composition of scale on surface of fracture

2 失效原因分析

2.1 流程分析

根據該循環油蒸汽發生器的流程可知:殼程無加藥口和取樣口;殼程注水口設計位置為殼程下部的管板附近,而實際位于殼程下部的尾部;連續排污口的設計位置位于殼程下部,定期排污口的設計位置位于殼程中部的汽液交界面,而實際連續排污口位于殼程中部的汽液交界面,定期排污口位于殼程管板側下部。

一般情況下,為確保蒸發器殼程內的水質符合要求,操作過程中應進行不定期加藥或加注新鮮水,同時在殼程下部進行連續排污,殼程中部的氣液交界面進行定期排污。由于系統既未設置加藥口,也未見取樣監測口,且設備選型設計時連續排污口和定期排污口的設置位置也與實際不一致,這將增大設備失效的不確定性。

由于殼程管板側介質流動空間相對較小,同時殼程操作介質為pH(8.8～9.6)的除氧鍋爐水,一旦設備投運后,隨著殼程介質的不斷蒸發,殼程管板側由于空間狹窄且無充足的新鮮水注入,附近介質中K+、Na+和Cl-等含量將越來越大,若換熱管與管板的貼脹不到位,則管孔縫隙處將發生腐蝕性物質的聚集和濃縮現象,再加上系統未設置加藥措施,且設備連續排污和定期排污達不到預期的排污要求,這很可能就是導致管束斷裂失效的直接原因。

2.2 檢測結果分析

從返廠后承壓焊接接頭的無損檢測結果來看,設備殼體和管箱上所有焊接接頭(包括管板表面、管頭焊接接頭表面及換熱管內表面)均未發現裂紋等超標缺陷。銑削管頭焊縫金屬后滲透檢測發現,缺陷幾乎都出現在焊縫根部或熱影響區。管內壁/外壁的滲透檢測和顯微檢測結果表明,裂紋均啟裂于外壁,以環向裂紋為主,沿壁厚方向由外向內擴展,裂紋在擴展過程中以沿晶開裂為主并伴隨有穿晶開裂形態的混合特征,且裂紋擴展方向上局部區域存在晶粒脫落現象。裂紋主要出現在管頭的焊縫根部、熱影響區以及換熱管脹接變形的管外壁等高應力部位。從管束內的脹接痕跡和斷口垢物分析可見,管束存在局部強力脹接痕跡或貼脹不到位的現象。焊縫根部缺陷可能是管束貼脹不到位，殼程介質進入管板與換熱管的管孔縫隙處蒸發濃縮后產生的應力腐蝕引起。

對奧氏體不銹鋼管束而言,如果介質中既有堿性物質,又有氯離子,則堿應力腐蝕開裂或氯化物應力腐蝕開裂在滿足條件的情況下均有可能發生,兩者存在競爭關系。由于奧氏體不銹鋼的氯化物應力腐蝕開裂和堿應力腐蝕開裂具有相似之處,在工程上區分它們有一定難度。在高溫堿性(pH>11)介質環境或存在明顯的堿濃縮環境中,堿應力腐蝕開裂往往優先于氯化物應力腐蝕開裂發生[6]。氯化物應力腐蝕開裂以穿晶開裂形態為主,而堿應力腐蝕開裂以沿晶開裂為主并伴隨有穿晶開裂形態[7]。

綜上分析,可基本判定本案例所述不銹鋼管束斷裂失效是應力腐蝕開裂所致。

3 結論與建議

根據本案例設備返廠后的全面檢查、斷口失效分析和垢物分析判斷,該不銹鋼管束斷裂失效是應力腐蝕開裂所致。失效管束在斷裂前,其外壁已形成應力腐蝕裂紋,之后在斷電停泵的瞬間管程介質回流產生的瞬時軸向拉應力和管程工作應力的共同作用下，裂紋迅速擴展,最終導致管束瞬間斷裂失效。為避免不銹鋼管束再次發生斷裂失效,針對其斷裂原因提出以下建議。

(1) 在進行系統設計和結構選型設計時,既要考慮系統長期操作的安全可靠性,還要考慮設備選材與操作介質的匹配性,以及設備結構選型與系統設計的一致性。若操作系統介質中含K、Na、Cl等元素,且存在反復蒸發濃縮的情況,普通奧氏體不銹鋼同時存在氯化物應力腐蝕開裂和堿應力腐蝕開裂的風險,特別是在焊接接頭處、結構突變處、管束貼脹和焊接處、U形彎管等高應力部位。

(2) 為了確保蒸發器殼體內的水質符合要求,系統設計時應考慮加藥和排污(連續排污+定期排污)操作,如何進行不定期加藥和排污操作是確保水質和設備安全使用的關鍵。必要時,還應定期監測和分析設備的給水水質和操作中鍋殼內的水質,以判斷水質是否符合設備的使用要求。另外,釜式蒸發器的殼程為自然蒸發,多用于低參數的蒸汽發生器;當用于高參數蒸汽發生器時,一般選用自然循環式蒸發器。

(3) 對有可能發生應力腐蝕的不銹鋼管束類換熱器,應嚴格按制造工藝和焊接工藝進行制造和焊接,特別是換熱管與管板的焊接與貼脹,在確保焊接可靠和貼脹到位的前提下,既不能過度脹接更不能強力脹接,必要時對換熱管與管板的焊接接頭進行熱處理以消除材料內部的殘余應力。