乙苯换热器换热管与管板开裂分析(组图)
【中国制冷网】摘要：固定管板式乙苯气-反应混合气换热器投用1a内多次发生换热管与管板焊缝开裂，全面检查发现换热器还存在筒体呈波浪状、筒体膨胀节严重变形和开裂、管板向外突出变形、鞍座焊缝开裂等失效形式。检验分析表明，换热管与管板焊缝开裂为氯化物应力腐蚀开裂，热应力过大是导致应力腐蚀的主要因素。
关键词：换热器;不锈钢;热应力;应力腐蚀;失效分析
中图分类号:TE986文献标志码:B
某厂乙苯气-反应混合气换热器为固定管板式换热器(工艺位号E-301)，该换热器2002年2月投用，同年4月到7月相继发生了3次热端管板与壳体焊缝开裂、高温端管板断裂，导致装置停工。分析认为，管板过大的温差应力是导致开裂，的主要原因。因此，将管板改进为22mm厚的薄管板，采用柔性设计来解决管板的温差应力。该设备改进设计后投用1a又出现换热管与管板焊缝开裂(图1)，补焊修复后短期内多次发生开裂，且开裂周期呈明显缩短的趋势。文中介绍对其进行分析的情况。
1 设备简介
该换热器为卧式固定管板式，规格Φ1900mm×9005mm×18mm，筒体中部安装1组YTAB13801型膨胀节。换热管Φ38mm×2.5mm×8000mm，换热面积1154m2，材质0Cr18Ni9。壳程和管程的设计压力均为-0.1MPa，壳程的最大工作压力为-0.002MPa、管程最大工作压力-0.059MPa。壳程设计温度550℃，管程设计温度638℃，壳程进口操作温度为97~105℃，壳程出口操作温度470~535℃，管程进口操作温度598~625℃，管程出口操作温度357~310℃。壳程介质为乙苯气，管程介质为反应混合气。换热管与管板的连接采用密封胀加强度焊的型式。焊接方式为自动钨极氩弧焊，焊接材料为Φ1.0mm的E308。
图1 换热管与管板焊缝开裂
全面检查发现换热器筒体变形呈波浪状(图2)，膨胀节有严重不均匀塑性变形且纵焊缝开裂，管板向外凸出，冷端鞍座水平位移大于200mm，鞍座角焊缝开裂。未开裂部分管头的焊缝外观质量良好，焊脚高度和管子伸出长度满足文献的要求。管板和换热管焊缝表面均呈黑色。管板变形以热端下部最严重，该部位开裂的管头密度也最大，部分孔桥开裂连通，开裂的管头伸出管板5~10mm，远超出原设计的2.5mm。
图2 筒体变形
大部分管头存在椭圆变形，裂纹已穿透管壁，裂纹主要沿管子与管板角焊缝环向分布，部分管头部位存在纵向裂纹。
壳程介质带有液相，设备在运行中经常从排污口排液。
2 检验
(1)材质取开裂部位的管头母材和焊缝材质进行化学成分分析，结果表明，换热管材质成分与文献中0Cr18Ni9相符。根据设备制造资料，管头焊接采用E308-15，焊缝金属成分满足要求，管板材质与文献中0Cr18Ni9相符，筒体材质与文献中0Cr18Ni9相符，且均满足ω(C)>0.04%、在固容状态下使用、在638℃时的屈服下限不小于98MPa以及常温硬度值不大于187HB等要求。
(2)表面无损检测对膨胀节内外表面进行PT检测，除焊缝外，其他部位未发现表面裂纹。筒体可接触到的内外表面PT检测未发现表面裂纹。热端管板PT检测发现孔桥开裂超过10%。
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(3)金相分析在开裂部位取样，样品氧化严重，表面呈铁褐色。经检验母材组织为奥氏体+晶界碳化物，局部存在形变马氏体(图3)。焊缝组织为奥氏体+晶界碳化物，热影响区为奥氏体+δ铁素体+碳化物。焊缝显微硬度220~240Hv、热影响区显微硬度220~231Hv、母材显微硬度235~265Hv、断口显微硬度290~310Hv。
图3 母体材料(奥氏体+晶界碳化物+形变马氏体)
断口剖面可见断口边缘母材存在增碳现象，奥氏体内和晶界上有碳化物析出，表面存在氧化特征，连续的氧化物层深度0.3mm(图4)，存在二次裂纹，二次裂纹呈沿晶和穿晶混合特征，裂纹内存在腐蚀产物。
(4)断口分析断口宏观特征为断面粗糙，无塑性变形，无壁厚减薄，断裂面无金属光泽，存在腐蚀产物。管子与管板角焊缝在管程和壳程侧均有起裂，裂纹沿焊缝热影响区开裂，大部分裂纹扩展区与管子表面呈45°，管子纵向裂纹从内壁表面起裂。
图4 表面氧化皮
微观形貌显示管子与管板角焊缝裂纹断口和管子轴向裂纹断口的断裂微观特征基本相同，裂纹为穿晶和沿晶混合扩展特征，断口上存在较多的二次裂纹和腐蚀产物。
(5)腐蚀产物成分分析取断口附近的腐蚀产物进行X-ray成分分析，腐蚀产物中含有Si、S、Cl、Ca、K、Fe、Cr、Ni，其中主要成分为K2CO3和硫酸盐，ω(Cl)>1%。
3 结果分析
断口金相和形貌表明换热管与管板焊缝开裂为氯化物应力腐蚀开裂。
部分管孔发生椭圆变形、断口附近材料金相组织存在形变马氏体，反映出该部位存在极大的应力。裂纹扩展区与管子表面呈45°，表明该应力是导致应力腐蚀开裂的主要原因。
管板和换热管均选用碳质量分数(ω(C)>0.04%)较高的材料，满足对材料的高温力学性能的要求，但碳质量分数升高，必然加剧材料高温敏化倾向，所以开裂部位组织晶界碳化物析出严重，硬度升高，材料抗应力腐蚀性能也将明显下降。
腐蚀产物分析结果表明其中含有大量的Cl-元素，裂纹从管程和壳程两侧均有起裂，说明管程和壳程介质都含有液相水和Cl-。液相水是在设备开停过程中产生的，说明设备开停的低温过程是导致开裂的主要过程。
18-8型奥氏体不锈钢通常在大气中能承受800℃的高温氧化，氧化膜主要成分为铁铬尖晶石(FeCr2O4)，结构比较致密。但该换热器管子表面氧化严重且氧化物疏松，说明介质中含有水蒸气，因为在高温下水蒸气的存在阻碍了不锈钢表面Cr2O3保护膜的稳定成长，也导致内层氧化铁层的形成。该换热器冷端采用的是滑动支撑，但支座还是发生了较大的水平位移，支座焊缝开裂、筒体呈波浪状变形、膨胀节变形、管板外突以及管头焊缝断裂后管子伸出管板等情况说明换热管与壳体间的热膨胀差没有被完全吸收，从而导致换热管与管板焊缝承受了过大应力。
4 结论
(1)管头焊缝焊缝开裂为氯化物应力腐蚀开裂。
(2)在高温和高应力作用下材料出现了严重敏化和形变马氏体，使其抗应力腐蚀能力恶化。
(3)换热管与筒体间的热膨胀差导致该接头存在较大的应力和介质中的氯离子是导致应力腐蚀的主要原因。
参考文献:
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