乙烯装置氢气加热器U形弯管失效分析

杨小华

（上海华谊建设有限公司)

换热技术

乙烯装置氢气加热器U形弯管失效分析

杨小华*

（上海华谊建设有限公司)

某乙烯装置氢气加热器系外置式夹套换热器。该设备在检修时发现，U形弯管内侧有泄漏现象。通过取样进行化学成分、金相和腐蚀产物分析发现,U形弯管上存在的外表面裂纹是由内壁向外扩展至外壁所形成的，且呈多源裂纹特征，裂纹呈树枝状扩展，系典型的应力腐蚀裂纹。

弯管失效 泄漏 应力腐蚀 换热器 裂纹

0 氢气加热器技术参数及运行情况

上海某石化股份有限公司乙烯装置氢气加热器系外置式夹套换热器设备，于1991年4月投入运行。管子规格为 Ø89×6 mm，夹套管子规格为Ø108×4.5 mm，管子材料为0Cr18Ni9Ti，夹套管子材料为20钢。该氢气加热器的主要技术参数如表1所示。

由于是外置式换热器，夹套直管段采用外保温结构，而U形弯管段没有保温，具体结构如图1所示。

表1 氢气加热器主要技术参数

图1 氢气加热器结构

氢气加热器的氢气从管内上部进入，此处温度为25℃，氢气通过U形夹套加热从下排管出口流出，此处温度大约200℃。夹套内走蒸汽，进口温度为 390℃。据了解，2004年6月检查时发现，左上方第一、二个U形弯管内侧有泄漏现象。将两个弯头取下后发现，弯头内侧存在诸多沿轴向和环向贯穿裂纹。其余弯头未发现有裂纹缺陷存在。

1 U形弯管样品的化学成分分析

在发生贯穿裂纹的U形弯头上取样品，对该材料的化学成分进行分析，分析结果见表2。

表2 U形弯头样品的化学成分分析（%）

根据GB 13296—1991《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》标准，对照钢管材料0Cr18Ni10Ti的标准化学成分， 该U形弯头材料符合0Cr18Ni10Ti的化学成分。在材料实测数据中含有少量的Mo元素，这可能是炼制过程中掺杂带入的。 因此该U形弯管材料的牌号应为0Cr18Ni10Ti，系低碳奥氏体不锈钢。

2 U形弯管样品裂纹的宏观形貌分析

对含贯穿裂纹的U形弯管各部位进行外观检查，发现本次失效的U形弯管外侧表面并没有裂纹性缺陷，而靠近弯头内侧存在较粗的贯穿性裂纹，裂纹方向沿弯头轴向和环向，长度约三分之一周长，既有沿环向和沿轴向的单条裂纹，也有沿环向和轴向的交叉裂纹。用放大镜观察裂纹形貌，发现在较粗的裂纹两侧存在细小的裂纹，形貌呈树枝状，如图2所示。裂纹端部呈现细尖状，并没有出现很钝的裂尖现象。

图2 U形弯管样品贯穿裂纹宏观形貌

3 U形弯管裂纹处的金相组织与形貌分析

为了进一步判断U形弯管内侧存在的裂纹起裂部位和扩展方向，在裂纹部位沿厚度方向和在内外表面上取样进行金相分析，以判断诸多裂纹究竟是内表面扩展至外表面，还是外表面产生裂纹扩展至内表面。经磨抛、侵蚀后所得的金相照片如图3～图7所示。由图3～图7可以看出，裂纹是从管子内表面向外表面扩展的，裂纹呈多源裂纹特征，裂纹扩展呈树枝状，且裂纹分叉较多。由试样样品经侵蚀后得到的金相组织照片可见，金相组织为奥氏体＋碳化物，裂纹呈穿晶扩展特征。从金相照片上裂纹扩展形貌可以判断，本次管子上发现的裂纹属典型的奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹。根据金相组织判断，该U形弯管系热加工成形的，在加热过程中，加热温度超过了450℃，处于敏化温度范围，从而导致了大量的碳化物在晶界上和晶内析出。

综上所述，通过金相照片中裂纹扩展形貌可以得出如下结论：

（1）裂纹是从管子内壁产生的，并由内向外扩展至外表面，造成介质泄漏。

（2）裂纹呈穿晶扩展特征，且裂纹呈多源裂纹扩展，在裂源处看不到内表面有缺陷存在。

（3）该管子的裂纹系典型的应力腐蚀裂纹。

图3 U形弯管样品裂纹（7#试样金相）

图4 U形弯管外表面裂纹（3＃试样金相）50×

图5 U形弯管横截面内壁裂纹（5＃试样金相）50×

图6 U形弯管样品裂纹（1＃试样金相）

4 U形弯管裂纹断口的微观形貌及腐蚀产物分析

将U形弯管裂纹沿裂纹面断口打开后，在扫描电镜中观察其断口的形貌如图7所示。

图7 U形弯管裂纹断口微观形貌

从图7的U形弯管裂纹的微观形貌可以看出，整个断口均被腐蚀产物覆盖，断口上明显有多处二次裂纹存在，二次裂纹呈沿晶和穿晶特征。这也是应力腐蚀的又一特点。在扫描电镜中用电子探针对腐蚀产物进行元素分析，分析结果如图8所示。

图8 腐蚀产物元素能谱分析

图8能谱分析结果表明，裂纹断口上的腐蚀产物为硫化物，其余均为材料本身的一些元素。根据了解到的情况可知，管内介质为纯氢气，不存在含硫介质。但通过上述分析表明，该U形弯管上的裂纹确认是从内壁扩展至外壁，产生的裂纹也属于典型的应力腐蚀裂纹。众所周知，发生应力腐蚀裂纹扩展应有介质的影响。若管内单有氢气介质，对不锈钢而言，不存在应力腐蚀问题。因此可以判断该管内可能混有含硫的介质。建议注意检查管内介质的性质，是否存在其它含湿硫的介质，是否有多硫酸等介质混合物存在。

5 结论

（1）根据化学成分分析，确认该U形弯管的材料牌号为0Cr18Ni10Ti，系奥氏体不锈钢弯管。

（2）U形弯管上存在的外表面裂纹是由内壁向外扩展至外壁所形成的，且呈多源裂纹特征，裂纹呈树枝状扩展，系典型的应力腐蚀裂纹。

（3）根据对裂纹断口的腐蚀产物进行元素能谱分析，确认该腐蚀产物为硫化物，因此可以判断管内介质并非为单体的纯氢气介质。

（4）建议对该换热器所有的U形弯管外表面进行着色检查，同时对管内的介质进行分析，以确认是否混有含湿硫的介质存在。

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[4]A约翰·塞德赖克斯．不锈钢的腐蚀 [M]．北京：机械工业出版社，1986．

Failure Analysis for Hydrogen Gas Heater U-bending in the Ethylene Plant

Yang Xiaohua

The hydrogen gas heater in ethylene plant is an external jacketed heat exchanger.During the equipment maintenance,leakage occurred in the inside of the U-bending.By sampling,a series of analytic tests were conducted as follows:chemical composition analysis,microstructure analysis as well as corrosion product analysis,and found that the outside surface crack on the U-bending was formed by the crack extending outward from the inner wall to the outer wall.The crack had multiple sources and showed dendritic extension,it belonged to typical stress corrosion crack.

Bend failure;Leakage;Stress corrosion;Heat exchanger;Crack

TQ 051.5

2013-06-20）

*杨小华，男，1971年生，工程师。上海市，200232。