換熱器密封盤開裂失效分析

張旭日 王淑杰 王春茂

（1.山東昌邑石化有限公司 濰坊 261300）

（2.山東省特種設備檢驗研究院集團有限公司 濟南 250101）

某單位180 萬t／a 柴油加氫改制裝置反應流出物／混合進料換熱器，為第III 類壓力容器，管程介質-反應流出物主要成分為硫化氫、氫氣、油氣、油，設計溫度為321 ℃，設計壓力為8.82 MPa，工作溫度為301／220 ℃，最高工作壓力為8.4 MPa。該換熱器投用87 天后，其密封盤開裂。密封盤材質為S32168，直徑為φ1 685 mm，厚度為13 mm，凸緣厚10 mm，密封盤厚度最小處為彈性變形區5 mm，密封盤在設備中位置如圖1 中組合件1 所示。

圖1 密封盤在設備中位置（組合件1）

在密封盤邊緣環形區域內肉眼可見明顯宏觀裂紋，裂紋位于彈性變形區內，沿密封盤密封面邊緣環向分布，見圖2。

圖2 密封盤開裂局部

1 檢驗過程與結果

1.1 宏觀形貌檢查

失效密封盤介質側開裂位于彈性變形區的薄板，靠近密封盤外側密封面過渡圓角處，沿環線整圈開裂，呈現多源起裂、沿環線擴展連接的特點，部分裂紋已經貫穿密封盤厚度方向。

密封盤厚度方向的裂紋形貌見圖3，開裂從管箱側向封頭側開裂，裂紋始于彈性變形區與密封面的過渡圓角或外圈壓環與密封盤的接觸面邊緣，呈現分枝狀。內圈壓環與密封盤接觸邊緣沿密封盤環向部分開裂，開裂程度低于近過渡圓角處。

圖3 密封盤近過渡圓角處沿厚度方向開裂形貌

從密封盤封頭側觀察，密封盤近過渡圓角處存在明顯的加工凹槽，貫穿裂紋位于此凹槽內，表面粗糙度較大，見圖4。

圖4 內圈壓環與密封盤接觸面兩側開裂形貌

1.2 化學成分分析

失效密封盤的化學成分符合GB／T 24511—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中對S32168 的要求，見表1。

表1 化學成分wt%

1.3 力學性能分析

力學性能測試試驗結果見表2，力學性能符合GB／T 24511—2017 中對S32168 的要求，其中試樣2斷后伸長率A略低于標準要求。

表2 力學性能

1.4 金相組織分析

在密封盤開裂所在環線上無宏觀裂紋部位進行金相取樣，按照GB／T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的要求對密封盤裂紋周圍進行顯微組織檢驗，侵蝕劑選用王水，金相顯微組織見圖5。金相具有欒晶的奧氏體晶粒上有沿加工變形方向分布的黑色長條狀α 鐵素體，散狀分布的方形或三角形粉色部位為碳化鈦，未發現微觀裂紋，未發現馬氏體等硬脆相，金相顯微組織未發生變化。其中奧氏體晶粒大小不均，鐵素體含量偏多，約占10%。

圖5 金相顯微形貌

在密封盤有宏觀裂紋區域，按照GB／T 13298—2015 對密封盤裂紋周圍進行顯微組織檢驗。裂紋附近及未裂部位均為奧氏體加長條狀鐵素體組織，有極少量的碳化鈦。裂紋形貌見圖6，顯微組織顯示裂紋呈樹枝狀分布。主裂紋擴展形式主要以穿晶開裂為主，尖端分叉較多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌。裂紋形貌有明顯的奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂特征[1-3]。

圖6 短裂紋形貌

1.5 斷口掃描電鏡檢測

沿環線裂紋開裂處取樣，通過掃描電鏡觀察未清洗開裂表面，形貌見圖7，開裂沿厚度方向全部貫穿，表面附著較多換熱器內管程介質或腐蝕產物，可見微裂紋，未發現明顯晶間裂紋。

圖7 開裂表面形貌

對裂紋結合面進行能譜檢測分析，詳細結果見圖8。結果顯示，裂紋內的腐蝕產物主要包括較多的氧化物、硫化物和少量氯化物。

圖8 開裂表面能譜分析

對開裂表面清洗觀察發現，表面有少量的大裂紋，微裂紋極多，存在沿同一個方向擴展的密布多源微裂紋，偶有較深的點蝕坑，表面有明顯的腐蝕特征，見圖9。

元素重量／% 原子／%元素重量／% 原子／%C 2.95 7.26 Ca 0.35 0.26 O 30.71 56.69 Cr 2.34 1.33 Si 0.64 0.68 Mn 1.80 0.97 S 0.45 0.42 Fe 53.48 28.28 Cl 0.65 0.54 Ni 4.12 2.07 K 1.50 1.13 Br 1.01 0.37總量100.00——

圖9 斷面形貌

2 失效原因分析

1）失效密封盤金相組織為非等軸晶，晶粒大小不一，鐵素體含量高。顯微組織分析顯示裂紋呈樹枝狀分布，主裂紋擴展形式主要以穿晶開裂為主，尖端分叉較多，伴有少量的穿晶及沿晶混合形貌，是典型的應力腐蝕形貌。

2）運行時密封盤接觸介質為管程介質-反應流出物（主要成分為硫化氫、氫氣、油氣、油）。工藝流程中為防止結晶會向第三級換熱器前管路中注水，管程中就形成了與不銹鋼形成腐蝕體系的H2S水溶液。在能譜分析中還發現了Cl 元素，說明溶液中還有游離態Cl-，存在應力腐蝕的介質條件。

3）設備密封盤彈性變形區是密封盤的加工壁厚最薄處，在密封盤的過渡圓角及近過渡圓角、內圈壓環的接觸邊緣是受力最大部位[4-5]。失效盤的過渡圓角較小，倒角越小密封盤應力越大，密封盤裂紋產生部位與拉應力區域具有很好的對應性。

綜上所述，失效密封盤金相組織晶粒大小不均、存在較多的欒晶，密封盤本身在過渡圓角處存在應力集中，在工作載荷的條件下，密封盤將產生變形，帶來較大的附加應力。換熱器的工作環境為高溫高壓，工作溫度為301／220 ℃，最高工作壓力為8.4 MPa，管程介質中含有與不銹鋼形成腐蝕體系的H2S 溶液和Cl-。在應力、腐蝕環境共同作用下，局部裂紋貫穿密封盤壁厚，腐蝕介質發生泄漏，導致整個部件失效。因此根據上述分析，可以認為，在拉應力和管箱內H2S 溶液、Cl-等腐蝕環境的共同作用下，在密封盤邊緣環形區域處發生了應力腐蝕開裂現象。

3 結束語

某換熱器密封盤投用短時間內發生開裂主要是由于彈性變形區與密封面的過渡圓角處、內圈壓環與密封盤的接觸邊緣存在應力集中和附加應力，密封盤處于H2S 溶液和Cl-腐蝕性介質環境中，在密封盤拉應力最大區域處發生了應力腐蝕開裂現象，在設備使用過程中為了避免發生這種開裂，應從材料、應力狀態和介質環境進行充分考慮，給出以下預防失效的建議和措施：

1）密封盤選材方面，金相組織以鐵素體含量少的均勻細小奧氏體等軸晶為佳；

2）制造方面，建議厚度正偏差，加大過渡圓角，提高表面質量；

3）供需雙方可協商，對鋼板提出晶間腐蝕試驗要求。