空冷器管束斷裂失效分析

高玉芳，劉麗麗

空冷器管束斷裂失效分析

高玉芳，劉麗麗

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

通過對某化工廠空冷器管束宏觀形貌檢查、斷口分析、材質成分分析、金相檢驗、掃描電鏡等手段，分析了某化工廠空冷器管束發生斷裂的原因．結果表明，管束斷裂的主要原因是由于腐蝕性S2-，Cl-與管束發生化學反應，造成內壁腐蝕，管束因承受不了管內壓力導致管束斷裂．從選材、檢查維護、優化操作過程等角度提出了改進措施．

管束；金相；氯離子；腐蝕

某化工廠的空冷器管束發生斷裂，該管束用于CO裝置脫碳單元冷卻MDEA貧液，MDEA貧液就是沒有吸收CO2，H2S之類酸性氣體的溶液，管束材質為10#鋼．為了找到管束斷裂的原因，對其進行研究．

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

對斷裂管束的壁厚進行測量，發現管束的外徑25 mm，沒有發生變化，內徑最薄處為21.8 mm，管束尺寸為Φ25 mm×2.5mm，壁厚減薄0.9 mm，由此推測管束內壁發生腐蝕，使得內壁減薄．對失效后的管束進行宏觀觀察發現，在管束斷口附近內壁處可以清晰地看到管內有腐蝕坑存在，且表面有黑色的腐蝕產物附著（見圖1），進而推斷管束斷裂與腐蝕有關[1]．

1.2 斷口分析

為了分析管束失效斷裂的原因，對斷口位置進行分析．先用酒精對管束斷口進行清洗，除去表面附著的腐蝕物或其它雜質，再對管束的斷口進行觀察和分析（見圖2）．

圖1 管束內壁

圖2 管束斷口

利用SEM掃描電鏡對管束斷口進行微觀分析，其斷口端面掃描結果見圖3（圖3b～c是圖3a在不同倍率下的斷口放大圖）．通過對不同倍率下的斷口SEM照片發現，圖3b中可以看到斷口內壁發生腐蝕，并存在孔洞，由于長時間運行，腐蝕產物附著在管束內壁，并在管束內堆積，腐蝕由內壁向外壁擴展．從圖3c中看到，斷口表面平齊而光亮，屬于脆性斷裂；綜合管束壁厚最薄處減薄0.9 mm，可以推斷管束是腐蝕減薄導致斷裂[2-3]．

圖3 斷口不同倍率下的掃描結果

1.3 管束內壁面腐蝕產物分析

管束中的介質是MDEA貧液，MDEA脫碳系統中介質與管束發生了化學反應[4]15．為了進一步確定引起管束發生腐蝕的原因，利用EDS能譜儀對失效管束內壁面的腐蝕產物進行分析，結果見表1．從表1中可發現，腐蝕產物含有氧元素、硫元素、氯元素，其中最大含量分別達到25.37%，0.48%，0.49%，還含有Ca與Mg元素．由此推測：管束內溶液是富氧物質，所以氧元素含量較高；而由硫元素和氯元素推測，在管束內部介質中可能含有少量的腐蝕性硫化物、氯化物等，管束長期運行，腐蝕性硫化物、氯化物與管束發生化學反應，造成內壁腐蝕，在發生腐蝕位置易造成斷裂失效[5-6]．

表1 腐蝕產物成分 （%）

1.4 管束壁面微觀腐蝕形貌分析

對失效斷裂管束進行取樣，之后利用SEM掃描電鏡對管束內壁有腐蝕坑的不同位置A，B進行進一步的微觀形貌分析，管束內壁微觀形貌見圖4．通過對圖4進行觀察發現，管束內壁發生了腐蝕，管束金相組織為珠光體+鐵素體，結合脫碳裝置中的酸性環境和管束內壁面腐蝕產物中含有元素Cl，在強酸性氯離子環境中，珠光體的存在弱化了基體本身電化學性能，自腐蝕電位負移，腐蝕傾向明顯增大，自腐蝕電流密度增大，陽極溶解速度快[7]．其原理為鐵素體和珠光體在同一材料中自然地構成了腐蝕原電池，鐵素體電位相對比珠光體高，將成為腐蝕原電池中的陰極，而珠光體則作為陽極而優先溶解[3]26．珠光體的存在弱化了腐蝕產物對基體的保護效果，降低了腐蝕產物對電化學反應的阻抗效應和阻斷腐蝕介質與基體接觸的能力．

圖4 管束內壁不同位置微觀形貌

1.5 材質成分

廠家提供管束材質為10#鋼，在管束上取樣進行成分分析，利用德國SPECTRO MAXx直讀光譜儀，對管束進行成分檢測，結果見表2．通過表2數據發現，管束所有元素含量均在GB/T 699—1999要求的范圍之內，所以管束材料的化學成分符合標準要求．

表2 管束化學成分及標準值 （%）

1.6 金相分析

10#鋼是碳素結構鋼，它的塑性、韌性很好，易冷熱加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好，焊接性優良，無回火脆性，但淬透性和淬硬性均差．交貨狀態為不熱處理或熱處理（退火、正火或高溫回火），組織為鐵素體+珠光體．對失效管束取樣，試樣經過鑲嵌、打磨拋光，并經過4%的硝酸酒精侵蝕后，利用顯微鏡進行金相觀察，結果見圖5．

通過對比發現，管束金相試樣的金相組織均為鐵素體+珠光體，與標準組織圖譜基本相符，因此管束材料組織符合標準要求[8]．

2 腐蝕機理分析

管束中介質是MDEA貧液，MDEA溶液濃度過低．當溶液濃度過低時．經過管束中的部分二氧化碳沒有被溶液吸收而留在氣相，從而造成腐蝕；MDEA脫碳系統中介質CO2引起的腐蝕[4-5]：

CO2+H2O=H2CO3

Fe+H2CO3=FeCO3+H2↑

Fe +H2S=FeS+H2↑

圖5 試樣在不同倍率下的金相組織

由腐蝕產物可知，含有Ca，Mg，Cl元素，CaCl2在一定條件下能部分水解生成氯化氫（HCl），而氯化鎂最易水解，反應為[9]

MgCl2+H2O→Mg（OH）Cl+HCl↑

氯化氫溶解于水中成鹽酸，鹽酸與鐵發生作用，即

Fe +2HCl→FeCl2+H2↑

這時管束受到腐蝕，前面反應生成的FeS溶解于鹽酸后又生成H2S（FeS+2HCl→FeCl2+H2S），再繼續腐蝕，又生成FeS，這樣重復下去腐蝕加深．由于管束受到腐蝕，壁厚逐漸變薄，強度降低，承受不了管內壓力導致管束斷裂．在這些因素共同作用下，導致管束局部金屬被嚴重損傷減薄，設備在此種情況長期運行，最終造成斷裂．

3 改進措施

3.1 進行相應的防腐處理

管束斷裂的主要原因是由于腐蝕產物中含有硫元素、氯元素，腐蝕性S2-，Cl-與管束發生化學反應，造成內壁腐蝕，最終造成管束斷裂．可以根據使用環境，檢測液體的溫度、壓力、流速等指標進行防腐處理，管道的防腐處理也是生產設備安全有效運行的關鍵．

3.2 及時檢修、維護

通過對空冷器管束斷口、金相組織及化學成分分析可知，斷口附近內壁處存在孔洞，斷口表面平齊而光亮，屬于脆性斷裂；管束金相試樣的金相組織均為鐵素體+珠光體，金相組織符合標準要求；管束的化學成分符合要求，不存在錯用鋼材的情況．因此，應該對管道定期進行檢查維護，可以采用無損檢測設備對管道的厚度、密度進行檢測．在維護過程中及時對管道進行清污處理，防止腐蝕物堆積造成管道嚴重腐蝕．對破損嚴重的管道進行更換，可以延長生產設備的使用壽命，防止發生生產安全事故．

3.3 合理化操作過程

在生產操作過程中，要優化操作程序，及時監測生產設備的運行過程，嚴格控制生產設備的工藝參數，避免設備超溫、超壓運行，降低設備氧化腐蝕的速度．

4 結語

空冷器管道斷裂失效的原因和形式有很多，與管道的結構設計、加工工藝有關，還與管道的工作環境，工作介質的流速、溫度、壓力、氧化腐蝕等有關．本文僅從管道的選材和腐蝕機理入手，分析空冷器管道斷裂失效的原因，提出解決措施，以期在設備的生產和使用過程中具有一定的借鑒和指導作用．

[1] 張劍鵬，來強，劉亞沖．MDEA脫碳裝置腐蝕原因探討[J]．化肥工業，2000（1）：53-53．

[2] 李灝．顯微組織及環境參數對油輪貨油艙用鋼耐蝕性的影響[D]．馬鞍山：安徽工業大學，2013．

[3] 靳九成，吳翠蘭，謝中．電機護環鋼在硝酸鹽溶液中應力腐蝕開裂的控制過程研究[J]．湖南大學學報（自然科學版），1993（6）：25-28．

[4] 韓喜民，潘偉峰，樊仙榮，等．MDEA脫碳工藝運行小結[J]．小氮肥，2007，35（8）：14-16．

[5] 張詠．合成氨裝置脫碳過程工藝分析[D]．天津：天津大學，2010．

[6] 賽鵬，龔正春，猶公．空冷器用10#鋼空冷管束泄漏爆破的原因分析[J]．鍋爐制造，2003（2）：43-44．

[7] 馬文禮，劉俊生，余強，等．加氫裝置空冷管束腐蝕泄漏原因分析及預防措施[J]．管道技術與設備，2020（4）：60-62．

[8] 李泉荃．復合型亞硝酸鹽阻銹劑對碳鋼的阻銹機理及其對混凝土性能的影響[D]．青島：青島理工大學，2019．

[9] 孫楚橋．催化干氣脫硫脫碳溶劑再生系統腐蝕分析及應對措施[J]．廣東化工，2021，48（19）：100-101，111．

Fracture lose efficacy analysis of air cooler pipe bundle

GAO Yufang，LIU Lili

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

By means of macroscopic morphology examination，fracture analysis，material composition analysis， metallographic examination and scanning electron microscope，the cause of fracture of air cooler bundle in a chemical plant was analyzed．The results show that the main cause of tube bundle fracture is the chemical reaction between corrosives S2-and Cl-and tube bundle，which causes the inner wall corrosion，and the tube bundle cannot bear the pressure in the tube，leading to the fracture of tube bundle．The improvement measures are put forward from the aspects of material selection，inspection and maintenance，and optimization of operation process．

pipe bundle；metallography；chloride ion；corrosion

1007-9831（2022）09-0039-05

TG172.6

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.09.009

2022-03-11

高玉芳（1965-），女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，從事金屬材料熱處理及表面技術研究．E-mail：gaoyufang65@163.com