全焊接式換熱器應力腐蝕裂紋故障分析

黃科馳

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457）

0 引言

某海上浮式生產儲油輪生產設施上安裝了5 臺阿法拉伐全焊接式CP75 熱交換器，用于原油進艙前的熱交換，原油換熱介質為乙二醇（50%水+50%乙二醇）。自2012 年開始，設施陸續出現內部泄漏。通過金相分析，發現泄漏的原因是乙二醇介質受海水污染，導致原油換熱器出現SCC（Stress Corrosion Crack，應力腐蝕裂紋）。應力腐蝕裂紋是換熱器常見，但十分嚴重的問題。

余存燁[1]提出應力腐蝕裂紋開始后沒有切實可行的方法使其停止，開裂形成與擴展相當快，通常認為應力腐蝕裂紋是金屬或合金在拉應力和腐蝕介質共同作用下產生的，提出使用壓應力來處理應力腐蝕裂紋，防止其在以后的作業中繼續開裂。田京城[2]提出在機械行業中，應力腐蝕裂紋占所有腐蝕情況的絕大部分，并對金屬的SCC 腐蝕曲線進行研究，提出固定管板換熱器使用方法。余存燁等[3-5]提出使用化學試劑對不銹鋼換熱器及其他設備定期進行化學清洗以去除表面氯離子富集的污垢，防止應力腐蝕裂紋的發生，延長換熱器的使用壽命。孔文彬等[6]分析了板式換熱器的失效形式，并對其腐蝕處進行微觀研究，分析了所含元素對不銹鋼的各種不利作用。鄭啟文等[7]闡述了多個石化換熱器應力腐蝕開裂的狀況，并提出使用雙相不銹鋼來代替奧氏體不銹鋼。李玲[8]分析了不銹鋼換熱設備的失效形式，并提出尋求耐蝕性和耐沖性能均佳的金屬材料是一種有效途徑。余存燁[9]提出環境中的氯化物和氯離子對應力腐蝕開裂也有一定影響。

本文通過對發生應力腐蝕裂紋的換熱器進行分析，對腐蝕處的樣品材料進行研究分析，發現冷媒系統的氯離子濃度較高，其根本原因為板式換熱器的板片受壓力波動影響出現了疲勞裂紋導致海水泄漏進了冷媒系統，從而導致腐蝕發生。為了減少應力腐蝕裂紋的發生，對現在使用的不銹鋼腐蝕曲線進行分析，并依靠不銹鋼特性選擇了254SMO 不銹鋼用作換熱器新材料。

1 應力腐蝕裂紋分析

某海上浮式生產儲油輪生產流程中換熱系統流程為海水冷卻乙二醇，乙二醇再和流程中的介質進行熱交換。原油處理流程使用的換熱器是阿法拉伐公司生產的COMPABLOC-7V500 型全焊接式換熱器，由500 片316L 板片整體焊接成型。作為換熱介質的乙二醇冷媒系統是閉式循環，乙二醇冷媒的熱交換主要通過海水/冷媒（T50 板式換熱器）進行換熱，然后再進行下一級的天然氣和原油系統的熱交換。原油系統PID 如圖1 所示。

圖1 原油系統PID

從2012 年開始，5 臺原油換熱器分別出現內部泄漏現象（圖2），泄漏位置位于頂點處。將被腐蝕破壞的換熱器陸續送回陸地進行焊接修復，但是修復的換熱器在投入使用后很短周期就再次發生內漏現象。

圖2 泄漏檢查

為查清導致泄漏的主要原因，對換熱器進行焊接檢查和壓力測試（圖3），結果發現在容器的內部存在殘余應力，所以雖然對發生裂紋的換熱器進行焊接修補，但是由于殘余應力的存在仍然會導致繼續破損，最終導致內泄漏。

圖3 故障檢測

采取腐蝕處的樣品進行常規冷媒取樣化驗，對冷媒系統中的各項指標進行記錄，從圖4 中可以看出氯化物和氯離子的含量一直都保持在較高的程度，氯離子含量超標。

圖4 冷媒化驗記錄

檢查換熱器，發現其根本原因是由于T50 板式換熱器的板片受壓力波動的影響出現了疲勞裂紋。由于多年運轉，壓力不穩定導致板片出現了疲勞裂紋（圖5），同時由于設備原始設計的海水側壓力高于冷媒側壓力，導致海水進入冷媒介質，污染了整個冷媒系統，使氯離子濃度異常升高。

圖5 換熱器板片腐蝕裂痕

2 維修與改進

為了防止板片繼續發生腐蝕，根據不銹鋼的腐蝕曲線選取抗腐蝕性能更加優良的不銹鋼材料。原油換熱器316L 材料在冷媒中含有不同高濃度的氯離子的情況下的腐蝕曲線如圖6 所示，由圖中可以看出，在操作溫度為90 ℃的情況下極易產生應力腐蝕裂紋。

圖6 316L 材料在氯離子環境下的腐蝕曲線

通過對應力腐蝕裂紋產生的原因進行分析，首先對整個冷媒系統的壓力進行了調整，使其低于海水壓力，并定期取樣檢測氯離子的濃度。考慮到換熱器的可靠性，通過查閱有關技術資料，254SMO 的腐蝕曲線如圖7 所示，和圖6 比較可以看出254SMO在含氯離子的環境下，耐腐蝕性能優于普通不銹鋼。254SMO 在化學成分上與普通不銹鋼不同，具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水環境下有良好的抗點蝕性能和較好的抗應力腐蝕性能，耐高溫和耐腐蝕性能優良，是普通不銹鋼所不具備的。

圖7 254SMO 不銹鋼腐蝕曲線

3 結論

應力腐蝕裂紋發生之前通常沒有任何征兆，是在幾乎沒有宏觀塑性變形的情況下突然發生材料的脆性裂紋，會對原油處理流程產生一定影響。應力腐蝕裂紋的發生機理與材料、環境介質、應力3 個因素有關，所以只要根據情況調整改變其中的一個或兩個因素，就可以避免應力腐蝕裂紋的發生。本文針對換熱器內泄漏問題進行冷媒取樣化驗，結果證明冷媒系統中氯離子含量較高，而其根本原因是由于板式換熱器的板片出現了疲勞裂紋，導致海水泄漏進入冷媒。根據不銹鋼材料抗腐蝕性能，選擇使用254SMO 材料替換原油冷卻器材料，并控制乙二醇冷媒的氯離子濃度，提高換熱器可靠性，降低傳熱器板片發生疲勞腐蝕的可能性，對預防應力腐蝕裂紋有重要意義。