某公司合成氨項目投產(chǎn)使用的末端冷卻器，運行一年后出現(xiàn)換熱管斷裂現(xiàn)象。通過力學性能檢驗、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡與能譜分析等方法，對換熱管斷裂失效原因進行了分析。結果表明，殼程介質(zhì)循環(huán)水在使用過程中出現(xiàn)氯離子濃縮，同時換熱管在應力作用下，從外壁向內(nèi)發(fā)生應力腐蝕開裂，最終導致?lián)Q熱管斷裂失效。
U形管式換熱器由于其結構簡單、易于制造等特點被廣泛應用于各種化工裝置中。近年來不銹鋼U形換熱管因應力腐蝕斷裂現(xiàn)象屢有發(fā)生。文獻中的某煉油廠加氫裝置中使用的循環(huán)冷卻器，由于其U形管彎管部分在冷彎后未進行消應力處理，存在較大的殘余應力。在濕H 2 S腐蝕環(huán)境下致使0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼換熱管在彎管處發(fā)生應力腐蝕斷裂。本文介紹的某化工廠合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中的末端冷卻器運行一年后停車（非故障原因）檢修，清洗設備后進行檢查未發(fā)現(xiàn)泄漏等問題。再次開車使用三周后出現(xiàn)設備泄漏現(xiàn)象，隨即二次停車，在現(xiàn)場抽出管束，可見3根換熱管斷裂，查出多根換熱管泄漏，斷裂位置集中在換熱器上方管板背面靠殼程側，目前該設備已停止使用。本文對斷裂的冷卻器換熱管進行宏觀形貌分析、化學成分分析、力學性能檢驗、金相組織分析及斷口的掃描電鏡與能譜分析，從而研究換熱管斷裂失效的具體原因。
該末端冷卻器殼程介質(zhì)為循環(huán)水，管程介質(zhì)為高壓空氣，設備結構見圖1。殼程循環(huán)水是下進上出，設計溫度80℃，其中進口工作溫度28℃，出口工作溫度38℃；管程高壓空氣是上進下出，設計溫度220℃，其中進口工作溫度182℃，工作壓力7.1MPa，出口工作溫度40℃；該冷卻器換熱管采用φ19×2mm的SA213-TP316L不銹鋼無縫管。
現(xiàn)場將泄漏冷卻器的管束抽出檢查，如圖2所示。目視檢查可見上半部分換熱管表面腐蝕較嚴重，有一層黃色腐蝕物，肉眼可見3根換熱管斷裂，隨即對該管束斷裂的管子及泄漏管進行取樣。
1宏觀形貌分析
取樣管見圖3，其中1#和2#為帶斷口的換熱管，3#和4#為正常換熱管。
由圖3可見1#和2#失效管斷口及斷口附近的鋼管外表面覆蓋有明顯的黃色氧化物，管材外表面存在一定的腐蝕產(chǎn)物。將斷口試樣切下并清洗后斷口試樣宏觀形貌見圖4，黃色銹蝕產(chǎn)物大部分已清洗掉，在斷口附近的鋼管外表面可見較多的腐蝕凹坑。在斷口附近還可觀察到貫穿管壁的其它裂紋。
2化學成分分析
在四個換熱管上分別取樣，進行化學成分分析，化學成分采取光譜分析的方式，具體參考標準GB/T11170-2008，結果見表1所示。ASMESA213 TP316L成分同時列于表中，由結果可見材料各元素滿足標準要求。
3力學性能試驗
分別在三個長度足夠的換熱管上表面無異常處取整管拉伸試樣，檢測結果見表2，ASMESA213 TP316L力學性能同時列于表中，由結果可見材料抗拉強度、塑性延伸強度及斷后伸長率均滿足標準要求。
4金相分析
在1#、2#試樣斷口附近和3#、4#試樣上切取縱向試樣進行金相分析，各試樣晶粒形貌見圖5，組織形貌見圖6。從圖中可以看出材料金相組織為正常奧氏體，晶粒大小均勻，平均晶粒度5.0級，金相組織未見明顯異常。
在1#和2#試樣斷口附近的表面同樣發(fā)現(xiàn)由多條起源于外表面的樹枝狀裂紋，有應力腐蝕裂紋特征。
5電鏡與能譜分析
將斷口試樣在掃描電鏡下觀察并用EDS方法檢測腐蝕產(chǎn)物成分，腐蝕產(chǎn)物形貌見圖7，除常規(guī)316L不銹鋼元素外，腐蝕產(chǎn)物中包含較多的Cl、Mg、S和P等腐蝕性元素。清洗后的斷口放在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌見圖8。兩斷口斷裂形式類似，均為起源于管外壁沿著管厚度方向延伸擴展，裂紋源不止一處，裂紋在擴展中二次分叉。斷口形貌呈河流花樣，河流花樣呈現(xiàn)不同的臺階，為準解理斷口，屬于穿晶形斷裂。
6分析與討論
經(jīng)現(xiàn)場取管宏觀檢測結果表明，換熱管斷口呈現(xiàn)一定程度的氧化。同時觀察到斷口處附近有貫穿管壁的其它裂紋存在。換熱管環(huán)向開裂主要發(fā)生在冷卻器上方管板背面靠殼程側，換熱管外壁有腐蝕特征，換熱管外壁有大量腐蝕產(chǎn)物。通過對取樣換熱管的力學性能檢測和化學成分分析，非金屬夾雜物含量較少，晶粒大小均勻，組織為正常奧氏體。其符合ASME SA213 TP316L的材料要求。
裂紋主要從換熱管外壁向內(nèi)擴展，在裂紋擴展過程中發(fā)生二次裂紋，裂紋尖端尖銳。斷口整體形貌為準解理形貌，具有穿晶特征，少量區(qū)域為沿晶斷裂，開裂斷口呈明顯的脆性開裂?？拷鹆言次恢玫耐獠勘砻嬗写罅康母g產(chǎn)物，經(jīng)能譜分析換熱管外壁和斷口腐蝕產(chǎn)物中均含有Cl元素。對于奧氏體不銹鋼來講，其應力腐蝕的敏感元素是鹵素元素，尤其是Cl離子，其濃度應控制在25ppm以下。
冷卻器的管程介質(zhì)為高壓空氣，進口（上端）工作壓力7.1MPa。該設備運行一年期間無問題，在停車檢修后二次開車時，大量的高壓空氣管程進口進入，通過管程的斜擋板反射進入冷卻器上方換熱管，使上方的換熱管發(fā)生大的振動，對換熱管產(chǎn)生大的沖擊應力、振動應力等附加應力。另外換熱管與管板連接是貼脹+焊接，也會造成應力高度集中。殼程介質(zhì)循環(huán)水在設備一直運行中Cl離子濃縮于換熱管表面，形成易腐蝕環(huán)境。從該冷卻器的結構看，其管程的斜擋板直接將高壓空氣反射到上方換熱管內(nèi)，反復的開停車也會造成換熱管振動而發(fā)生疲勞斷裂。
綜上所述，冷卻器上方換熱管在管板背面靠殼程側發(fā)生斷裂失效的主要原因為：換熱管在使用時受到?jīng)_擊應力、振動應力等附加應力，殼程介質(zhì)循環(huán)水中Cl離子出現(xiàn)濃縮附著于換熱管表面，增加了應力腐蝕的敏感性，導致冷卻器上方換熱管發(fā)生腐蝕。在拉應力和腐蝕介質(zhì)的作用下，從外壁向內(nèi)發(fā)生應力腐蝕開裂，最終致使冷卻器腐蝕泄漏失效。
7結論
（1）該冷卻器材料選用316L奧氏體不銹鋼，在殼程有Cl離子濃縮現(xiàn)象，在附加應力作用下導致殼程上方管板側換熱管外壁發(fā)生應力腐蝕開裂從而設備失效。
（2）對于含Cl元素介質(zhì)工況的設備建議采用雙相不銹鋼取代316L、304L等奧氏體不銹鋼。管殼式換熱器失效與材料、結構、工況及工作介質(zhì)等多種因素有關，往往是多種因素共同作用的結果。因此在換熱器的設計、選材、制造和使用過程中全面考慮各種影響因素，以防患未然。
