高压换热器热电偶管嘴开裂原因分析

[摘要]对某柴油加氢装置高压换热器热电偶管嘴开裂原因进行了系统的测试与分析，包括宏观分析、成分检测、金相组织分析、断口及EDX分析等,对开裂原因进行了讨论，并针对失效原因提出了相应的建议措施。
前言
      某柴油加氢装置在停工检修后的开工过程中，热.高分汽与混氢原料换热的高压换热器E-103入口管道上的热电偶插入位置管嘴焊缝出现泄漏，泄漏位置见图1。

       失效管嘴材质为06Cr18Ni11Ti,规格φ60mmX12mm，内部接触介质为热高分汽,操作温度170C。为了查清开裂原因,对泄漏管嘴进行失效原因分析。
1检查与结果
1.1宏观检查
       由于现场需要快速恢复生产，采用了火焰切割,且距离裂纹近,裂纹起源已被破坏，而且切割处受到了严重的切割热影响,给腐蚀失效分析带来了困扰。.由宏观形貌可见热电偶管嘴内外覆盖薄薄的土黄色铁锈,均无明显腐蚀凹坑,未见明显腐蚀减薄。裂纹从靠近焊缝的位置而来,由靠近焊缝的位置向远离焊缝部位扩展，见图2。

1.2化学成分测试
       对反应流出物及原料侧的热电偶管嘴采用OBLFQSN750火花直读光谱仪进行分析,结果见表1。结果显示,2个热电偶管嘴材料与GB/T20878-2007中的06Cr18Ni11Ti相比,C含量高,Ti含量低,Cr、Ni含量偏低0。。其S含量也较高,但在标准GB/T222-2007要求的偏差范围内口。

1.3金相分析
       对样品进行分割，将含有裂纹部分进行镶嵌，经过机械磨抛，在STM6光学显微镜下(00x)观察，结果见图3。图3显示材料中夹杂物含量较多，采GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》中比较法印评级结果为A2.5,B<0.5,C<0.5,D1.5.未侵蚀时局部区城也已显现晶界,具有晶间腐蚀特征，见图4。

       侵蚀后观察，主要为奥氏体组织,有碳化物沿晶界析出,晶粒度约为5级，见图5a;裂纹为沿晶裂纹，见图5b.

1.4宏观、扫描电镜形貌观察及EDS分析
       沿裂纹前端切割打磨,将裂纹面分开,其宏观形貌见图6。

       在S-3400N型扫描电镜下观察断面形貌，并进行断面上的微区成分分析，整个裂纹面呈明显沿晶断特征，见图7。EDS分析发现，裂纹面组成元素主要为O、S、Fe.Cr.Ni等元素，见图8。

2分析与讨论
       奥氏体不锈钢的耐蚀性能优良,但在敏感介质环境如NaOH溶液、高温纯水、NaCl水溶液、连多硫酸、H2S溶液、H2SO4+CuSO4溶液等中时，连同拉应力工作应力、残余应力等)作用下易发生应力腐蚀开裂。.
       开裂热电偶管嘴内部介质为反应流出物，内部介质同时含有H2S和氯化物，可能发生氯化物应力腐蚀开裂、湿硫化氢环境应力腐蚀开裂;此外,不锈钢表面受到物料中硫腐蚀,生成FeS,在设备停车时,FeS同湿空气作用生成连多硫酸H2SxO6),反应如下:
FeS+O2+H2O->Fe2O3+H2SxO6
       连多硫酸能够引起不锈钢晶间腐蚀和低应力作用下的快速开裂,即连多硫酸腐蚀开裂。
       氯化物应力腐蚀开裂多发生在60~200℃,硫化环境应力腐蚀开裂多发生在60℃以下,而连多硫酸的形成需要接触湿空气,所以多发生在停车后。失效管嘴的开裂就是在停工检修后开工期间发现的，断口电子能谱分析结果表明，裂纹尖端的断面含有较多的S元素,而未发现CI元素的富集,这也说明了氯化物不是发生开裂的主要作用因素。
       此外,断口呈明显的晶间开裂特征，且未侵蚀样品也可发现明显的晶界,具有晶间腐蚀特征，符合连多硫酸腐蚀应力腐蚀开裂的特征。材料夹杂物较多,开裂敏感性高,且在晶界有大量碳化物析出图5a),具有敏化特征切。
       从材料成分来看,材料中的C含量过高,Ti含量不足,这也是大量碳化物在晶界析出的原因。材料S含量也较高,这与组织A类夹杂物含量较高相符，这些都导致了材料的应力腐蚀敏感性较高。
企业在停工前对高换管程部分进行了碱洗,清洗液为2%Na2CO3.碱性表面活性剂0.2%、0.4%的硝酸钠缓蚀剂及系统除盐水配制的水溶液,但由于管线无低点排凝,管线内水溶液无法排除，通过拆装法兰排泄,处置后的管线未进行吹干处理，这提供了氧和水环境条件。碱洗是为了中和形成的酸性硫化物，并不能清除硫化亚铁等腐蚀产物。硫化亚铁等腐蚀产物在湿空气作用下生成连多硫酸。此外,套管管嘴类似于小管径的盲端，可能会形成气体滞留，难以保证该处碱洗液能够与内表面充分接触，这也为连多硫酸的形成提供了机会。对于无低点排凝和无法保证碱洗充分的情况,建议选用氮气吹扫的方法。另外热电偶拆卸后也可能引入空气和水，也会导致连多硫酸的.产生。
3小结
       热电偶管嘴材料碳含量过高,Ti含量不足,Cr、Ni含量偏低。热电偶管嘴开裂为环境和应力共同作用下发生的连多硫酸应力腐蚀开裂。建议措施如下:
(1)加强施工管理,防止不合格或错用材料,对用于耐腐蚀环境的奥氏体不锈钢进行晶间腐蚀试验。.
(2)加强停工期间的保护,避免形成发生应力腐蚀开裂的环境条件。正确选用保护方法，且应维持在整.个停工期间均处于有效保护下。如:在停车后立即用碱或纯碱溶液冲洗设备以中和硫化物，在停车期间用的胶体颗粒粒径分布。多胺链接的丙烯酸酯环氧树脂的最佳中和度为80%。选择少量的不溶于水的芳香族溶剂混合大部分的乙二醇醚类溶剂作为助溶剂，所获得的底、面合一阴极电泳涂料的稳定性和涂层效最佳。