換熱器殼體腐蝕泄漏失效分析

魏廣杰

（中國石油大慶石化公司，黑龍江大慶 163700）

0 引言

石油化工生產中的換熱器設備應用較多，由于高溫條件下的各類介質腐蝕性較強，會對換熱器本體產生一定腐蝕，造成各類設備泄漏事故[1-3]。2017 年4 月，某石化公司MTBE（甲基叔丁基醚）裝置在正常生產過程中，甲醇回收塔重沸器的殼程出口接管補強圈處因腐蝕而發生泄漏，造成裝置緊急停工。

該重沸器結構為U 形管式換熱器，投用日期為2016 年4月，殼體、出口接管和補強圈的材料分別為20#鋼、Q345R，其他相關參數見表1。

表1 換熱器工作參數

將發生泄漏的出口接管附近的殼體切割下，利用掃描電鏡、金相顯微鏡、能譜儀等儀器進行檢測分析，以查明換熱器殼體泄漏原因，并采取相應的技術、應對措施消除類似安全隱患。

1 換熱器殼體宏觀檢查分析

檢查換熱器殼體泄漏情況：殼體的出口泄漏直觀表現為在補強圈檢查孔處（后期封堵），補強圈與殼體的焊縫部位未發現泄漏點，由此判斷換熱器殼體與接管的連接處出現泄漏問題（圖1）；由于流道劇變影響，換熱器殼體出口接管附近內壁被沖刷腐蝕嚴重，沖刷腐蝕在焊縫處最嚴重，原始焊縫被削平一定厚度，并且焊縫處發現一個疑似泄漏點，疑似泄漏點位于里側、遠離封頭（圖2）。殼體出口附近內壁以折流板為界，折流板以內沖刷腐蝕很輕，內壁大部分還保留有原始氧化層；折流板以外出口附近內壁的原始氧化層基本被沖刷腐蝕掉，露出殼體金屬本色。

圖1 殼體外壁泄漏處形貌

圖2 殼體內壁腐蝕形貌

在焊縫疑似泄漏處切取小試件，試件橫截面的殼體與補強圈的焊縫比較完好，整個板厚基本焊透，而殼體與接管的的焊縫不完整（圖3）。外側還有一定深度的未焊透區域，分析認為，這是由于殼體直徑只有700 mm，內壁處的殼體與接管焊縫施工作業比較困難，里側的焊接質量可能較差、易出現未焊透現象。

圖3 殼體與接管和補強圈的焊縫橫截面

試樣宏觀檢查發現，殼體內壁腐蝕減薄嚴重，其原始壁厚為8 mm，檢查最薄處剩余壁厚只有5.2 mm，由此造成焊縫里側連接處被腐蝕，外側還有未焊透現象，導致殼體泄漏處的焊縫連接基本無剩余，殼體試件可以在焊縫處撬開取下來（圖4）。

圖4 殼體與接管的焊縫開裂形態

2 殼體內壁腐蝕微觀檢測與機理分析

將換熱器殼體試件內壁超聲清洗干凈，用日立S-3400N 型掃描電鏡觀察內壁表面腐蝕微觀形貌；在殼體的遠離沖刷內壁用刮刀刮削一些氧化物，試樣用離子濺射儀噴金導電處理，用能譜儀檢測成分用牛津INCA350 型能譜儀檢測內壁表面腐蝕產物成分，通過對試件外觀表面分析及腐蝕產物組成分析，確認是否存在如應力腐蝕裂紋、酸堿腐蝕產物等明顯的特征（圖5）。

圖5 殼體內壁腐蝕表面的微觀形貌（500×）

（1）分析殼體內壁表面的腐蝕物成分，其中O 和Fe 的質量占比分別為12.16%和87.84%，原子數占比分別為32.58%和67.42%。可以看出，殼體內壁表面的主要成分為母材鐵和少量氧化鐵，未發現其他腐蝕元素。氧化物中也未發現堿腐蝕常有的鈉鹽等殘留成分，由此排除高溫堿腐蝕的可能。另外，試樣宏觀檢查時發現，殼體出口接管與法蘭及殼體與封頭的焊縫沖刷腐蝕情況較嚴重，但焊縫橫截面未發現裂紋，進一步排除介質造成堿脆和應力腐蝕的可能。

（2）常規高溫氧化腐蝕一般殘留有較厚的氧化層殘留物，而殼體內壁只有微量氧化物殘留（圖5），這說明其腐蝕因素是酸性介質，生成的氧化物被酸性介質溶解沖刷了。

（3）換熱器殼體介質為含少量甲醇的萃取水，非高純度甲醇含有微量的甲酸等有機酸，在溫度較高時對碳鋼腐蝕很強（75 ℃以下腐蝕較弱，100 ℃以上腐蝕迅速加劇）[4-7]。換熱器殼程上部出口溫度最高（140 ℃），酸性介質腐蝕也最嚴重。換熱器出口處介質流道劇變、此處沖刷作用加劇，再加上換熱器殼體與接管的焊縫缺陷，由此造成焊縫處腐蝕泄漏發生。

3 殼體焊縫金相組織檢測分析

在殼體焊縫殘留較多處截取試件，經過金相砂紙和金剛石膏的研磨和拋光，再使用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制備成金相試樣，然后利用金相顯微鏡對試樣金相組織進行觀察分析（圖6～圖7）。

由圖6 可以看出，殼體母材的金相組織為“鐵素體+珠光體”，屬于熱軋正火組織。金相組織呈現軋制帶狀分布，軋制后未經過正火熱處理消除帶狀組織，但是未發現組織偏析、內外壁脫碳等組織缺陷，非金屬夾雜物尺寸很小，只有少量顆粒狀（D 類）非金屬夾雜物，按照GB/T 6394—2002《晶粒度評級圖》，晶粒度為7 級左右，金相組織正常。

圖6 殼體母材的金相組織（100×）

由圖7 可以看出，殼體與接管的焊縫附近熱影響區存在比較粗大的魏氏體組織，按照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》，焊縫熱影響區的魏氏體組織達到III 級。魏氏體屬于金相組織中的有害相，晶粒比較粗大，具有強度低、脆性大等特點。當殼體與接管的焊縫在沖刷腐蝕掉一部分后，焊縫熱影響區的魏氏體缺陷很容易造成剩余壁厚開裂，導致殼體泄漏失效。

圖7 焊縫熱影響區的金相組織（50×）

4 分析結論

（1）換熱器發生泄漏部位在設備殼體與出口接管連接的焊縫位置。

（2）換熱器殼體泄漏內在原因主要是由于設備殼體內壁與接管焊縫處未焊透，再加上魏氏體組織缺陷，造成焊縫剩余部分開裂，導致短期（1 年）泄漏失效。

（3）換熱器殼體介質為含少量甲醇的水，而非高純度甲醇一般含有微量有機酸，在溫度較高時對碳鋼腐蝕很強（75 ℃以下腐蝕較弱，100 ℃以上腐蝕迅速加劇），泄漏發生位置恰好處于高溫區，該處酸腐蝕狀況最為嚴重。

（4）由換熱器體內壁腐蝕形態和腐蝕產物分析判斷，內壁腐蝕為酸性腐蝕，在溫度高、流道劇變處腐蝕最嚴重，殼體內壁出口處酸性介質腐蝕嚴重是造成殼體泄漏的外在因素。

（5）生產過程中加堿過多可能會造成堿腐蝕，但是試件檢測結果未發現堿腐蝕特征，有可能在使用過程中出現過短期的堿腐蝕，但后期被酸腐蝕清除了痕跡。

5 技術措施

（1）對換熱器殼體其他部位以及出口管線進行全面超聲波測厚排查，對全部焊縫進行超聲波無損探傷，排查出來一些壁厚減薄嚴重區域，發現部分焊縫存在未焊透等類似缺陷。

（2）為盡快恢復裝置生產，集中更換了排查發現的換熱器壁厚減薄嚴重區域，對存在未焊透等缺陷的焊縫重新進行補焊，以滿足生產短期急需。

（3）為提高換熱器材料的耐蝕性能，消除腐蝕隱患，新制造的換熱器及配套管線擬換用304#不銹鋼。

（4）對新制造換熱器殼體與接管的焊接施工加強質量控制，避免出現未焊透，盡量消除熱影響區的魏氏體。

（5）調研同類裝置是否有使用合適的高溫防腐涂料和施工工藝，后續設備升級改型時可以考慮在殼體和接管內壁制備防腐涂層。