06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼換熱管斷裂的缺陷分析及對策

魯曉巖，孫振西，崔倩倩，沈冬奎，顧晨陽

（1.山東省安泰化工壓力容器檢驗中心， 山東 濟南 250014）

（2.山東省產品質量檢驗研究院， 山東 濟南 250102）

換熱器廣泛應用于現(xiàn)代石油、化工、冶金、供暖及電力等行業(yè)，主要通過控制溫度以滿足應用需求，保障安全生產[1]。當換熱器在腐蝕性環(huán)境下工作時，換熱管一般選用奧氏體不銹鋼。在運行過程中，換熱器同時受到壓力、溫差及腐蝕性介質等因素的共同作用，易出現(xiàn)腐蝕開裂問題，輕則造成設備無法運行，重則停產，甚至造成人員傷亡[2]。近年來，環(huán)保理念的提升，促進了社會對能源清潔高效利用的追求，進而加速了新型煤化工企業(yè)的發(fā)展。對煤化工企業(yè)而言，換熱設備的安全平穩(wěn)運行，對設備設計和企業(yè)安全穩(wěn)定平穩(wěn)運行至關重要。因此，對失效換熱器及其零部件進行缺陷分析，查明其產生的原因，對于保證安全生產生活具有重要作用[3]。

本文針對某企業(yè)煤化工項目換熱器換熱管斷裂現(xiàn)象，通過內窺鏡檢測，對換熱管的斷裂、腐蝕和溝槽進行觀察，綜合分析了其應力及腐蝕機理，提出了相對應的預防和改進措施。

1 換熱器主要參數(shù)

該失效換熱器主要由裙座/下管箱等組成[4]，其管程和殼程設計溫度、設計壓力及材質等主要參數(shù)如表1所示，其中斷裂換熱管材質為S30408，對應的國內牌號為06Cr19Ni10，屬奧氏體不銹鋼，其標準名義組分如表2所示。

表1 換熱器主要參數(shù)

2 缺陷描述

通過內窺鏡檢測手段，對該設備下管束的上管板自上而下共抽測205根換熱管（下管束共計3600根），其中斷裂35根，圖1為35根斷裂換熱管中抽出的4根，通過圖1可觀察到換熱管斷裂深度基本在4.6m或4.9m處（有兩根分別在4.3m和4.4m），且抽測的換熱管基本在4.3m至4.9m之間結垢，而0m至4.3m及上段管束未出現(xiàn)斷裂和結垢嚴重的現(xiàn)象，抽測的35根換熱管斷裂面很整齊，而且都分布在管束的最外側及附近，抽查的內側未出現(xiàn)斷裂。

表2 換熱管標準名義組分表[5]

圖1 換熱管已斷裂

通過圖2可以觀察到，換熱管內壁存在腐蝕坑，腐蝕面積很大，受腐蝕部位變黑色或變成深褐色，推測可能為電化學腐蝕產生。通過圖3可看到，在換熱管內壁4.6m或4.9m處存在溝槽，而且抽測的許多換熱管都存在溝槽，通過圖3(c)可看到溝槽起始和結束處不在同一平面，而且在其它抽測的換熱管中也存在這一現(xiàn)象，且該設備中未觀察到補償器，推測由于殼程流體溫度高于管程，導致筒體的伸長量大于筒內的管束，進而造成管束受到拉應力，當拉應力達到管材的強度極限時，管頭焊縫將開裂破壞（如圖1）。

圖2 換熱管腐蝕

圖3 未斷裂換熱管4.6m或4.9m處出現(xiàn)的溝槽

3 腐蝕斷裂原因分析

通過圖1及該設備工況，推測其腐蝕過程如下[6]：進入換熱器的氣體介質中含有水分時，這些H2O換熱管壁上形成水膜，并電解產生H+和OH-離子，換熱介質中的CO2、H2S等酸性氣體溶于水，導致H+濃度增加：

如式（1）式（2）所示，鋼管處于含HS-離子的電解質溶液中，鋼管材料中的Fe作為陽極，與之緊密接觸的“雜質”C（石墨或滲碳體）作為陰極，形成了類似的原電池。反應式為：

上述原電池反應造成陽極鐵的犧牲，生成氫氧化物和可溶性鐵鹽，這就導致了鋼管的腐蝕穿孔。由以上分析可見，要避免鋼管的腐蝕，必須要避開形成電池的必要條件，也就是水的存在。因此，要防止換熱器管材的腐蝕，最關鍵的是控制進入換熱器的氣體處于干燥狀態(tài)（即：混合氣體介質溫度高于露點溫度20℃以上）[7]。在化肥生產過程中，半水煤氣等介質具有易結垢、強腐蝕性的特點，因此推測在管束介質自下而上流動過程中，在4.9m先換熱，這段先結垢直至4.3m，換熱管內壁產生嚴重結垢現(xiàn)象，除此之外該設備殼程換熱介質溫度高于管程，導致筒體的伸長量大于管束，且該設備未安裝溫度補償器，而且換熱管斷裂初步判定為由外及內，進一步驗證換熱管內壁溝槽由殼程筒體的伸長量大于管束，靠近筒體處的換熱管先受力而引起（如圖3）。在4.3、4.4m、4.6m或4.9m處出現(xiàn)斷裂，推測管束介質和殼程介質首先在4.3m至4.6m處對流換熱，因此這段溫差較大，換熱管受到的拉應力也最大。在受到的拉應力及腐蝕相互作用下，造成換熱管斷裂（如圖1）。

4 預防及改進措施

4.1 添加飽和蒸汽

添加飽和蒸汽使其成為過熱蒸汽以提高進入熱交換器半水煤氣的溫度，并防止冷凝水析出。使飽和蒸汽過熱到300℃左右后進入換熱設備，與飽和塔出口原料氣充分混合后，建立新的熱平衡。當過熱蒸汽的熱量足夠多時，就可以將氣體中的水分氣化。從前面分析可知，進入換熱器的混合氣體“無液態(tài)水的干燥狀態(tài)”，這就避免了管材的腐蝕，且在先前的實踐中得到了驗證。近年來，隨著換熱器工藝技術的發(fā)展，過熱蒸汽的添加量逐漸減少，由于過熱程度有限，使得添加過熱蒸汽的措施難以將進入換熱器的氣體處于過熱狀態(tài)。

4.2 增設預腐蝕器

在熱交換器前的汽水分離器中設置鋼環(huán)填料層，使氣體經汽水分離后，再通過鋼環(huán)填料進入換熱器管道。鋼環(huán)填料作為預腐蝕器，使氣體中的腐蝕性組分在進入換熱管道前，先腐蝕鋼環(huán)，進而實現(xiàn)對換熱器的保護。其實，在本設備下段管束的4.3m至4.9m這段就是起到了提前預熱，對管束介質干燥的作用，因此結垢嚴重。這種方案在部分小型化工廠有廣泛的應用，但存在一些明顯的問題：氣體中的腐蝕性組分（CO2、H2S、O2等）在鋼環(huán)內不可能全消耗完，且水（形成電化學腐蝕的必要條件）仍存在，因此增設預腐蝕器的方法能在一定程度上減輕換熱器管材的腐蝕，但并不能避免腐蝕的出現(xiàn)。

4.3 改變換熱器結構

換熱器的結構對于其換熱效果和防腐效果起著關鍵作用，通過在原有換熱器外加套筒，使之與換熱器筒體形成夾套的方法，可使飽和塔出口添加蒸汽后的混合氣經汽水分離后首先從底部進入夾套，與換熱器殼程氣體換熱，使其中夾帶的水分氣化，處于過熱狀態(tài)，再從夾套頂部進入換熱器進行換熱[7]。此時，進入換熱管的氣體已處于干燥狀態(tài)，換熱過程管材就不會再被腐蝕。這種外加夾套換熱器曾在低壓換熱設備中采用過，并取得了較好的防腐效果。

4.4 增設波紋膨脹節(jié)

在換熱器的設計過程，考慮到管程和殼程換熱介質的溫差較大，由于熱脹冷縮效應，管束與筒體產生的伸長量不同，如果不采取相應的熱補償方案，管束與筒體間將會產生較大的溫差應力，應力達到管材的應力極限時就會發(fā)生斷裂，嚴重影響設備正常運行?？刹捎迷诠芟浣橘|出口處增設波紋管膨脹節(jié)的方法進行熱應力補償，將殼體的拉伸造成的對管束的拉應力轉移到波紋管膨脹節(jié)上。這時，管束的伸長可轉移到膨脹節(jié)上，使管板與管頭的焊接焊縫不受拉應力，便實現(xiàn)了對應力腐蝕的防止，如圖4所示。

圖4 增設有波紋管的換熱器

5 結論

（1）奧氏體換熱管斷裂主要是由管程與殼程間溫差引起的拉伸長度不同，達到管材的應力極限以及管束介質內水分與管材形成的電化學腐蝕而造成的。

（2）設備運行過程中，管內結垢位置、出現(xiàn)溝槽位置均與斷裂位置一致，在4.6m到4.9m之間。

（3）建議廠方增設有膨脹節(jié)的換熱器，用于補償溫差引起的管束與筒體之間不同伸長量，減輕應力極限引起的斷裂。

◆參考文獻

[1] 王春暉. 換熱器波紋管失效分析[J].失效分析與預防，2010，5(2)：98-101.

[2] 曹海平. 煤化工酚氨回收器0Cr18Ni9不銹鋼換熱管斷裂原因分析及對策[J].化肥設計，2019，57(2)：46-50.

[3] 劉鴻彥，左曉婷，郗運富，等. 再沸器中S30403換熱管的斷裂失效分析[J].石油和化工設備，2019，22(8)：5-8.

[4] 邸廣民，吳冬果. 變換熱交換器的管束結構設計[J].石油和化工設備，2014，17(3)：20-23.

[5] GB/T 24593-2009，鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管[S].

[6] 穆中，荊三偉. 變換換熱器的腐蝕與防止[J].小氮肥，2008，36(8)：6-8.

[7] 穆中，荊三偉. 變換熱交換器的腐蝕與防止[J].中氮肥，2008，(3)：38-40.