不锈钢换热管开裂原因分析.pdf

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1、第42卷第4期化工机械583不锈钢换热管开裂原因分析马小强+(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司化学工业设备质量监督检验中·t7)摘要在某不锈钢换热管的开裂部位与完好部位分别取样，进行宏观检查、光谱分析、力学性能分析、金相分析、断口形貌和能谱分析。结果表明：换热管外壁在含H+、cl一环境中近外壁区域组织发生劣化，同时在换热管内外压差引起的膨胀应力的共同作用下，外壁产生氢致裂纹；裂纹在扩展的过程中，伴随的Cl一应力腐蚀开裂起到了一定的促进作用，最终发生破裂。关键词不锈钢换热管氢致裂纹应力腐蚀开裂中图分类号TQ05

2、1．5文献标识码B文章编号0254-6094(2015)04-0583-04换热器是冶金、化工、电力及机械等行业常用的热交换设备，其工作环境恶劣，在腐蚀介质和高温高湿的环境中，很容易产生裂纹、腐蚀等失效破坏，降低产品的使用寿命，带来安全隐患“j。某石化厂的柴油加氢精制装置高压换热器于2004年投用，运行3年后换热管内漏严重，于2007年整体更换管束，运行不久后仍发生内漏，至今已堵漏8根换热管。该类失效直接影响换热器的换热效率且更换管束成本较高，因此，有必要对内漏换热管的失效原因进行分析。笔者在换热管的开裂部位和完好

3、部位分别取样，通过宏观检查、光谱分析、力学性能分析、金相分析、断口扫描电镜(SEM)形貌以及能谱(EDS)分析等手段，探讨了换热管的失效原因并提出了相应建议。1换热器运行工况换热器主要技术参数见表1，换热器管束材料为0Crl8Nil0Ti，规格为咖20mm×2．5mm。表1换热器主要技术参数2试验分析2．1宏观检查分析换热管的开裂部位发现，裂纹位于换热管的直管段，裂纹形貌如图l所示，轴向裂纹长约150mm，主裂纹开口宽度约2．5mm，其两端伴有台阶状支裂纹。对该换热管开裂部位进行径向测}马小强，男，1982年7月生

4、，工程师。甘肃省兰州市，730060。图l开裂换热管宏观形貌与取样位置584化工机械2015正量未发现明显变形。在换热管开裂区、微裂区和完好区域取样，分别为14、2。、34样品，并将1。、38为金相分析样品，18样的开裂区为SEM形貌及EDS分析样品。将2。样打断(撕裂样品)，作为18样开裂区的对比试样，进行SEM形貌及EDS分析。2．2光谱分析开裂换热管及新换热管的光谱分析结果见表2，可见开裂换热管及新换热管中的化学成分均符合GB13296．2007的要求。表2开裂换热管及新换热管的光谱分析结果2。3力学性能分析

5、在开裂换热管完好部位取样进行拉伸试验，结果见表3，可见换热管强度符合标准要求。开裂换热管和新换热管的显微硬度分析结果见表4，可见新换热管不同区域的硬度较均匀，而换热管使用后，近内壁区域的硬度较高，满足GB13296-2007对显微硬度要求。表3开裂换热管力学性能分析结果表4换热管的显微硬度分析结果(HV)试样硬度(HV)近外壁区域芯部近内壁区域开裂换热管新换热管1641681641541691572001981441471991522．4金相分析图2为换热管开裂区和同管束未开裂换热管金相组织照片。裂纹扩展形貌如图2

6、a所示，可见裂纹由外壁向内壁沿厚度方向穿晶扩展，裂纹开始比较平直，扩展到一定深度后，呈树枝状扩展，为氢致裂纹和cl一应力腐蚀开裂特征；开裂换热管金相组织为奥氏体+少量铁素体，部分奥氏体呈孪晶，近外壁金相组织晶粒粗大，内壁晶粒细外壁勺壁小。图2b是同管束未开裂换热管金相组织，组织均匀，晶粒细小。由图2可以明显看出开裂换热管晶粒粗大，晶粒度为3．0级，而未开裂换热管晶粒细小，晶粒度为6．0级。宏观检查换热管完好区域的金相组织照片如图3所示，由图可见裂纹呈断续而曲折的锯齿状，没有分叉，为氢致开裂的典型特征。a．1。样11

7、flI金卡

8、l纤lt,n,×50h．1I】：】管求未肝裂换热箭金村1纰织×50图2换热管开裂区和同管束未开裂换热管金相组织外^键第42卷第4期化工机械585外‘蒋～I谴图3宏观检查换热管完好区域金相组织(3”样品)x50aI。样．1fl”裂I‘2．5断口形貌与能谱分析图4为l。样品开裂区和2。样品撕裂区断口形貌照片，可见开裂区断口呈河流状脆性断裂特征，而撕裂区断121沿晶分离，晶粒轮廓明显，二次裂纹较少，呈局部韧窝和局部解理的混合型断裂特征?开裂区和撕裂区断口EDS分析结果见表5，开裂区s高于撕裂区，cl一含量相近

9、，介质中存在大量H，S、NH；CI，H+和cl一的共同作用加快了裂纹的扩展。对换热管断裂部位内外壁形貌分析如图5所示。!。样．；^撕裂f×图4开裂区和撕裂区断口SEM形貌照片袁5开裂区和撕裂区断口EDS定量分析结果wt％b．内I键图5换热管内外壁SEM形貌照片外壁存在晶间腐蚀，呈现应力腐蚀的特征，内壁形貌存在泥状花样，并有大范围的脱落迹象：能谱分析结果见表6