圖 1 換熱管束裂紋分布和裂紋典型宏觀形貌
Figure 1. Crack distribution in heat exchange tube bundle (a) and macrographs of typical cracks (b)
分享：某凝析油穩(wěn)定塔塔底重沸器2205管束的腐蝕失效原因
我國(guó)西部某油田處理站的凝析油處理工藝主要采用“閃蒸+蒸餾”,凝析油穩(wěn)定塔塔底重沸器是凝析油處理工藝中的重要環(huán)節(jié),但是由于腐蝕問(wèn)題換熱管束頻繁失效,造成嚴(yán)重?fù)p失[1-3]。重沸器換熱管束失效案例屢見(jiàn)不鮮[4-10],失效原因包含多個(gè)因素,如材料質(zhì)量、制造過(guò)程、服役介質(zhì)、管束震動(dòng)、氣蝕等。
該失效重沸器于2014年服役,2019年管束開(kāi)裂失效,運(yùn)行期間重沸器一備一用,因此其總共服役時(shí)間為2.5 a。該重沸器為U形管式釜氏重沸器,管程設(shè)計(jì)壓力為1.18 MPa,設(shè)計(jì)溫度為300 ℃,管程介質(zhì)為導(dǎo)熱油,導(dǎo)熱油進(jìn)出口設(shè)計(jì)溫度分別為280 ℃和220 ℃。運(yùn)行期間,殼程凝析油進(jìn)口溫度約50 ℃,凝析油出口溫度約75 ℃,殼程運(yùn)行壓力約0.18 MPa；管程導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度分別約為240 ℃和210 ℃,管程運(yùn)行壓力約0.4 MPa。換熱管束材料為2205雙相不銹鋼。為了明確換熱管束失效原因,對(duì)換熱管束進(jìn)行了宏觀檢查、化學(xué)成分和組織檢查、殘余應(yīng)力測(cè)試、斷口分析以及浸泡試驗(yàn),探討了管束腐蝕開(kāi)裂的特征及成因。
1. 理化檢驗(yàn)與結(jié)果
1.1 宏觀檢查
為了確定重沸器管束的失效原因和失效位置,將所有管束進(jìn)行拆解、打磨,采用滲透檢測(cè)對(duì)換熱管束表面的裂紋進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,管束的失效形式主要為開(kāi)裂,共計(jì)42根U形換熱管出現(xiàn)裂紋,裂紋數(shù)量達(dá)到203條,裂紋分布及典型形貌如圖1所示。另外,出現(xiàn)開(kāi)裂的換熱管位于整個(gè)管束的最外層。該重沸器管程介質(zhì)為導(dǎo)熱油,并且導(dǎo)熱油的流向比較復(fù)雜。導(dǎo)熱油從進(jìn)口(B區(qū))進(jìn)入,經(jīng)U形管束后從D區(qū)流出,再經(jīng)重沸器封頭流入C區(qū),最后從A區(qū)流出。其中B區(qū)和D區(qū)的U形管束內(nèi)導(dǎo)熱油溫度相對(duì)較高,A區(qū)和C區(qū)導(dǎo)熱油溫度相對(duì)較低。由圖1(a)可見(jiàn),高溫區(qū)(B區(qū)和D區(qū))失效U形管數(shù)量相對(duì)較多,達(dá)到27根,裂紋數(shù)量達(dá)到144條；溫度相對(duì)較低的A區(qū)和C區(qū)同樣出現(xiàn)裂紋,失效管數(shù)量為15根,裂紋數(shù)量為59條。相比較而言,高溫區(qū)管束的失效問(wèn)題更為嚴(yán)重。由圖1(b)可以看出,管束表面裂紋數(shù)量最多達(dá)到29條。
1.2 化學(xué)成分和組織檢測(cè)
采用ARL 4460型直讀光譜儀分析直管段和U形彎的化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明,開(kāi)裂管束直管段和U形彎的化學(xué)成分均符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2205鋼的要求。
表 1 失效管束直管段和U形彎的化學(xué)成分
Table 1. Chemical composition of straight section and U-shaped section of failed heat exchange tube bundle
| 試樣或標(biāo)準(zhǔn) | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | N | |
| 直管段 | 0.016 | 0.36 | 1.29 | 0.023 | 0.001 1 | 4.91 | 22.57 | 2.98 | 0.19 |
| U形彎 | 0.018 | 0.39 | 1.28 | 0.022 | 0.001 6 | 4.86 | 22.22 | 2.94 | 0.19 |
| GB/T 20878-2007標(biāo)準(zhǔn) | ≤0.035 | ≤1.05 | ≤2.04 | ≤0.035 | ≤0.025 | 4.40~6.60 | 21.75~23.25 | 2.90~3.60 | 0.13~0.22 |
采用MEF3A型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對(duì)直管段和U形彎進(jìn)行金相分析,結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明,失效管束直管段和U形彎的非金屬夾雜物均為薄系A(chǔ)0.5、B0.5和D0.5,組織為γ+α,兩相分布均勻,α相體積分?jǐn)?shù)分別為45.03%和57.99%,無(wú)析出相。
圖 2 失效管束直管段和U形彎的顯微組織
Figure 2. Microstructure of failed heat exchange tube bundle: (a) straight section; (b) U-shaped section
1.3 殘余應(yīng)力測(cè)試
依照GB/T 31310-2014《金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定-鉆孔應(yīng)變法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效管束進(jìn)行殘余應(yīng)力試驗(yàn),共測(cè)試了3個(gè)平行試樣。測(cè)試位置如圖3所示,包含直管段和U形彎區(qū)域共計(jì)5個(gè)點(diǎn)。首先,在應(yīng)變花上對(duì)應(yīng)的圓孔內(nèi)采用慢速鉆孔儀打孔,孔深為孔徑的1.2倍。然后,通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量釋放的應(yīng)變值,按式(1)~(2)計(jì)算得到相應(yīng)的殘余應(yīng)力。
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(1) |
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(2) |
式中：εx和εy分別為環(huán)向和軸向釋放應(yīng)變,應(yīng)變數(shù)量級(jí)為10-6；σx和σy分別為環(huán)向和軸向殘余應(yīng)力；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù),單位為MPa-1。
圖 3 失效管束殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)分布
Figure 3. Schematic of residual stress test point distribution in failed tube bundle
由表2可以看出,盡管開(kāi)裂后管束局部的殘余應(yīng)力得到了釋放,但是在開(kāi)裂區(qū)周?chē)源嬖谳^大的殘余拉應(yīng)力,最大值達(dá)到262 MPa,并且不同曲率半徑和不同位置對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力分布不均勻。
表 2 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果
Table 2. Residual stress test results
| 試樣 | σx/MPa | σy/MPa | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 1號(hào) | 151 | 144 | 131 | 73 | -122 | 100 | 133 | 141 | 71 | -87 |
| 2號(hào) | -253 | 108 | 54 | -90 | 29 | -265 | 68 | 49 | 100 | -53 |
| 3號(hào) | 135 | 131 | -246 | 29 | 262 | -165 | -146 | -270 | -229 | 200 |
1.4 斷口分析
在開(kāi)裂位置即U形彎處取斷口試樣,采用Philips XL-20型掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)分析斷口試樣。由圖4可以看出,裂紋從外壁起裂向內(nèi)壁擴(kuò)展,在裂紋尖端出現(xiàn)明顯的二次裂紋,且裂紋尖端存在明顯的穿晶和沿晶特征。由圖5可以看出,在開(kāi)裂試樣表面存在明顯的點(diǎn)蝕行為,并且在裂紋起始位置可見(jiàn)明顯的點(diǎn)蝕坑,這說(shuō)明管束裂紋起源于表面生成的點(diǎn)蝕坑。由圖6可以看出,斷口表面無(wú)明顯頸縮和局部減薄特征,高倍下可以觀察到明顯的解理臺(tái)階、河流狀花樣以及大量二次裂紋,呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征。能譜測(cè)試結(jié)果表明,斷口表面存在Fe、Cr、Ni、Mo、C、O、Cl等元素。
圖 4 斷口截面形貌
Figure 4. Cross-section morphology of fracture: (a) overall fracture; (b) crack tip
圖 5 開(kāi)裂試樣截面形貌
Figure 5. Cross-section morphology of cracked specimen
圖 6 斷口表面形貌及能譜分析結(jié)果
Figure 6. Morphology of fracture surface at low (a), high magnification and EDS analysis results (b)
2. 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)
采用高溫高壓反應(yīng)釜模擬現(xiàn)場(chǎng)服役工況研究U形管束的失效行為。從失效管束上切割獲得尺寸為65 mm×5 mm×1.5 mm的試樣,依次采用240號(hào)、400號(hào)、800號(hào)、1200號(hào)的SiC水砂紙打磨試樣表面。再依次采用離子水、丙酮超聲清洗,冷風(fēng)吹干后置于干燥器中備用。采用四點(diǎn)彎曲夾具對(duì)試樣進(jìn)行加載,依據(jù)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,加載應(yīng)力分別為70, 150, 250 MPa。腐蝕介質(zhì)為模擬氣田水溶液,其離子含量如下：236 mg/L 
、1 140 mg/L 
、79 000 mg/L Cl-、2 941 mg/L Ca2+、317 mg/L Mg2+、47 930 mg/L(K++Na+)。將試樣置于高溫高壓反應(yīng)釜、浸泡在腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)間為720 h,溫度為240 ℃。試驗(yàn)結(jié)束后,取出試樣,用蒸餾水沖洗干凈并用冷風(fēng)吹干；用除膜液(配方詳見(jiàn)GB/T 16545-1996)在60 ℃下去除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物(時(shí)間20 min)；在室溫下用無(wú)水乙醇脫水、吹干、干燥。在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣表面是否存在裂紋(放大10倍)。
由圖7可以看出,當(dāng)加載應(yīng)力為70, 150, 250 MPa時(shí),試樣表面均出現(xiàn)明顯的裂紋,并且隨著應(yīng)力增大,對(duì)應(yīng)試樣上裂紋的數(shù)量增加。由圖8可見(jiàn),當(dāng)加載應(yīng)力為70 MPa和250 MPa時(shí),在裂紋尖端能夠觀察到明顯的二次裂紋和穿晶特征。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明,2205不銹鋼存在明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。
圖 7 不同加載應(yīng)力下浸泡腐蝕后試樣的宏觀形貌
Figure 7. Macrographs of specimens after immersion corrosion at different loading stress
圖 8 不同加載應(yīng)力下浸泡腐蝕后裂紋形貌
Figure 8. Morphology of cracks after immersion corrosion at different loading stress
3. 失效原因分析
由失效管束斷口的形貌及能譜分析結(jié)果可以看出,該2205雙相不銹鋼的斷口呈現(xiàn)脆性斷裂的特征,并且斷口表面存在明顯的點(diǎn)蝕坑以及Cl-,據(jù)此推測(cè)該管束的失效原因?yàn)槁然飸?yīng)力腐蝕開(kāi)裂。通常認(rèn)為,應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生需具備三個(gè)條件：敏感材料、腐蝕環(huán)境和應(yīng)力。從材料角度分析,該失效管束的化學(xué)成分滿(mǎn)足GB/T 20878-2007標(biāo)準(zhǔn)要求,組織也無(wú)異常,奧氏體和鐵素體體積比接近1∶1。從應(yīng)力角度分析,換熱管束表面存在明顯的殘余拉應(yīng)力,其中最大的殘余拉應(yīng)力達(dá)到262 MPa。從腐蝕環(huán)境角度分析,在2014年至2018年管束表面存在明顯結(jié)鹽情況,在2018年底引入洗鹽工藝,管束服役半年后出現(xiàn)大面積開(kāi)裂,因此失效管束服役環(huán)境為高溫-結(jié)鹽-含氧苛刻環(huán)境。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明,在高溫模擬氣田水環(huán)境中,2205雙相不銹鋼在較低應(yīng)力條件下同樣會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。結(jié)合殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知,2205不銹鋼管束的開(kāi)裂與制造或運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及服役環(huán)境相關(guān)。
在2018年之前,管束失效形式為表面結(jié)鹽,但是在引入未除氧的洗鹽水后,管束在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)裂。溶解氧可以作為強(qiáng)去極化劑加速腐蝕,也有研究表明溶解氧有助于加速鈍化膜的生長(zhǎng),提高鈍化膜的穩(wěn)定性[11-14]。但是,一旦鈍化膜破裂,氧含量增加會(huì)促進(jìn)點(diǎn)蝕的生長(zhǎng)。該失效重沸器管束表面處于高溫-結(jié)鹽復(fù)雜環(huán)境,隨著溫度的升高,鈍化膜的穩(wěn)定性逐漸降低[15-16],點(diǎn)蝕敏感性逐漸增加。結(jié)鹽的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面,凝析油中水與沉積鹽接觸,使鹽溶解,加速鈍化膜破壞過(guò)程；另一方面,沉積鹽作為“沉積層”,導(dǎo)致管束表面發(fā)生垢下腐蝕,進(jìn)一步加速鈍化膜的破壞。
綜上分析,可推斷管束開(kāi)裂的原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開(kāi)裂,其機(jī)理為陽(yáng)極溶解。失效過(guò)程如圖9所示[17-18]。在服役初期管束表面光滑,隨著換熱過(guò)程的進(jìn)行,凝析油中的鹽逐漸形核并且在管束表面沉積,出現(xiàn)結(jié)鹽現(xiàn)象；洗鹽水中的氧與管束表面接觸,表面鈍化膜逐漸破裂,裸露出新鮮金屬；在鹽沉積、高溫、氧的共同作用下,點(diǎn)蝕生長(zhǎng)加速；在殘余拉應(yīng)力的作用下,管束表面的點(diǎn)蝕向裂紋轉(zhuǎn)變；當(dāng)點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y后,在鹽沉積、高溫、氧的共同作用下,裂紋尖端鈍化和溶解交替出現(xiàn),最終在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下,裂紋不斷擴(kuò)大,直至管束斷裂。
圖 9 管束失效機(jī)理示意圖
Figure 9. Schematic diagram of fracture process mechanism of tube bundle
4. 結(jié)論
（1）重沸器2205不銹鋼換熱管束失效多集中在U形彎區(qū)域,裂紋多呈現(xiàn)環(huán)向開(kāi)裂特征。
（2）殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明,管束U形彎表面存在殘余拉應(yīng)力,最大值達(dá)262 MPa。
（3）斷口形貌及應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明,管束開(kāi)裂為氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,主要與管束服役過(guò)程中的高溫、結(jié)鹽、氧相關(guān)。
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