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2205双相不锈钢换热管短期泄漏失效原因分析与讨论
发布者: 发布时间:2019/12/4 阅读:202

  双相不锈钢是指铁素体与奥氏体各约占50%,一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体不锈钢相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高;与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。基于以上特点,双相不锈钢被广泛应用于石化企业一些介质环境比较恶劣的工况。虽然双相不锈钢具有良好的抗腐蚀性能,但在一些特殊环境中因双相不锈钢的腐蚀或其他原因导致的失效事故仍屡有发生。

  双相不锈钢被广泛应用于石化企业一些恶劣工况条件下,但某石化企业原油-常顶油气换热器经短期运行后,在换热器管板部位出现多个泄漏点。通过腐蚀形貌、金相、硬度等检测手段并结合换热管的腐蚀环境,综合分析了该换热管短期泄漏失效的原因,为后续双相不锈钢腐蚀与防护提供技术支持。

  某石化蒸馏装置常压塔顶原油-常顶油气换热器经短期(2个月)运行后,多个管头胀接区域出现泄漏点。为了解换热管短期泄漏失效的原因,在该换热器抽出管束中截取出一根泄漏换热管和一组未泄漏换热管,通过腐蚀形貌分析、金相分析、硬度检测、能谱分析等对其失效原因进行综合分析,以便采取有效的防护措施,避免发生类似的事故。

一、工艺分析

该换热器管板和管子材料为2205双相不锈钢(0Cr22Ni5Mo3N),介质为常顶油气,温度80℃。油气中含有大量的硫化氢,氯离子和二氧化氢,属于复杂介质环境下氯化氢+硫化氢+二氧化氢的低温腐蚀,当pH>7时主导损伤机理为酸性水腐蚀;当pH<7时主导损伤机理为盐酸腐蚀。此外硫化氢的存在对碳钢和低合金钢会造成湿硫化氢环境下应力腐蚀开裂,氯离子的存在会对奥氏体不锈钢造成氯化物应力腐蚀开裂。由于常顶采用的是“三注一脱”工艺,氨的注入还可能产生氯化铵的垢下腐蚀。

二、泄漏失效管束外观形貌及材料性能分析

2.1 宏观形貌

   该换热器为U形管式换热器,弯管为光管,按设计要求进行过固溶化处理,直管为滚压加工的螺旋管。图示出换热管外壁沟槽部位的损伤形貌,图示出换热管内表面局部点蚀损伤形貌。泄漏换热器的管板及截取的换热管宏观形貌特点如下:

(1)换热器管板上的泄漏管数量及分布特点。管板上泄漏管数量超过30个;泄漏管的位置无规律分布。

(2)抽检的换热管外表面加工损伤特点。已泄漏的换热管的旋压沟槽部位的外表层有大量的滚压加工翻皮缺陷,这种缺陷数量虽然不少但深度较浅,显然不是换热管短期运行开裂泄漏的原因,但在装置长时间运行中不排除其会不断扩展。

 (3)抽检的换热管内表面的腐蚀损伤特点。靠近管板位置的管子内表面点蚀坑最多,随着与管板距离的增大,相应点蚀情况逐渐减轻。换热管内表面的点蚀坑深度较浅,应不是换热管短期运行开裂泄漏的原因。

2.2 金相分析

   通过金相显微镜观察管段横纵截面的局部组织,如图所示。基体组织为:铁素体+条带状奥氏体析出相组成,两相数量大体相当,奥氏体析出相沿钢管的轧制方向呈条带状相间分布。换热管的内表面存在纵向微裂纹,这些微裂纹在换热管壁厚的径向长度较短(150μm之内),但数量较多。另外,由组织观察发现,在内壁微裂纹区域的组织形态与正常双相不锈钢管材的横截面组织有所不同。在内壁微裂纹区域出现薄薄一层(小于100μm)沿管壁径向生长的类似柱状晶层的条带状组织。内壁微裂纹基本分布在这一薄层的类似柱状晶层的条带状相界之间。纵向微裂纹的存在使换热管的承载能力,特别是塑性变形能力以及焊接性能急剧降低。

  管段外表面螺旋沟槽附近区域存在明显的变形带,变形带走向完全围绕着滚压加工的螺旋沟槽。另外,发现部分螺旋沟槽的底部在其侧面有长约100μm的滚压加工裂纹,说明旋压加工的压力很大;旋压加工变形带的存在,说明旋压加工后,螺旋换热管未进行固溶消除应力退火处理。

2.3 化学成分分析

  对换热器弯管部位取样进行化学成分分析,具体数据列于表1。根据分析结果,除氮的数据略有差异外,其他成分符合2205材料标准。

2.4 硬度检测

  硬度检测位置分别选择在螺旋换热管的螺旋沟槽底部内表面及未加工螺旋沟槽的管子内表面。

三、检验结果分析

 综合上述检验结果得出,换热管的化学成分及基体组织(铁素体+条带状奥氏体)基本符合2205双相不锈钢标准要求。主要存在的问题如下。

(1)换热管内壁存在大量微裂纹缺陷

  通过金相分析发现,不管是管头胀接附近的部位还是远离管头的部位都有大量的微裂纹缺陷,这一现象说明这些裂纹在管子轧制加工过程中就已经形成。

(2)换热管存在大量加工缺陷

  在换热管外表面螺旋沟槽附近区域存在明显的变形带,变形带走向完全围绕着滚压加工的螺旋沟槽。另外,还有一些换热管的螺旋沟槽底部存在滚压加工裂纹。滚压加工裂纹的存在,说明加工的应力很大;滚压加工变形带的存在说明加工后,螺旋换热管未进行固溶消除应力退火或消除应力退火不充分。

(3)换热管局部的点蚀损伤

   经短期运行后,在换热管内壁已经产生较多但不是很深的点蚀坑(100μm左右)。这些蚀坑的产生说明该批次换热管对工作介质的耐点蚀能力不足,将明显影响到换热管的使用寿命。

(4)换热管的硬度

   检测结果表明,加工螺旋沟槽部位硬度相对于未加工区域明显偏高,换热管的硬度偏高,将导致管材脆性增大、塑性韧性下降。硬度偏高应是加工硬化造成的,说明换热管在加工螺旋槽时变形量过大且加工后未进行消除应力处理或消除应力处理不充分。

四、换热器管板上管头短期泄漏原因分析

4.1 管头焊后胀管施工的影响

  宏盛特钢调查得知,管板焊接后焊接管头部位进行过胀管施工。由于双相不锈钢为不稳定的奥氏体组织,在冷加工后奥氏体会转变为马氏体,使硬度和强度上升,脆性敏感性增加。同时胀接的台阶部位,胀接应力也会非常集中。德国巴斯夫公司WH75-100管子与管板焊接标准规定,当存在应力腐蚀环境时,不推荐进行任何型式的胀接。

4.2 硬度的影响

  硬度检测结果显示本次换热管失效部位平均硬度高于未加工部位的硬度。硬度偏高主要原因为胀接施工和滚压加工。材料的硬度和应力水平是影响应力腐蚀开裂敏感性的两个关键参数,随着硬度的增加,钢的应力腐蚀开裂的敏感性也会增加。其中双相钢抗硫化物应力腐蚀其硬度要小于HRC28,而本次失效的换热管平均硬度HRC达到了35,硬度值超标意味着双相钢在冷加工过程有应变马氏体析出,从而降低了双相钢抗硫化物应力腐蚀的能力。本身失效的管束也处于湿硫化氢腐蚀环境,硬度超标不可避免会发生硫化物应力腐蚀开裂,加速管子本身存在的微裂纹的扩展,从而导致开裂泄漏。


  综合以上分析,本次换热管管头泄漏失效是由于该换热器管程处于湿硫化氢腐蚀环境,而胀接和旋压加工造成的马氏体相析出、高硬度以及应力集中会使硫化物应力腐蚀开裂敏感性大大增加。同时,换热管原材料不符合质量标准,内壁存在大量纵向微裂纹,虽然这些微裂纹长度较短,但这些微裂纹在运行过程中会在硫化物应力腐蚀的促进下快速扩展、形成穿透性裂纹。由于双相不锈钢组织的不稳定性,建议双相不锈钢换热管与管板不得采用任何形式的胀接。同时滚压加工也会导致轧槽部位出现应变马氏体而使硬度升高,此种结构应用广泛,建议滚压加工时要避免表面损伤,加工后应进行全管的固溶处理。

 
 

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