E- GAS气化焦过滤器伴热盘管泄漏分析

熊江（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州516086）

1 工艺说明

惠州石化煤制氢装置采用E-Gas气化技术，使用两段式水煤浆加压工艺生产合成气，同时副产超高压蒸汽。E-Gas气化技术中合成气的除尘和净化采用干法过滤除尘技术，通过焦过滤器来除去合成气中夹带的固体颗粒，焦过滤器内部的金属纤维毡滤芯过滤粗合成气中固体颗粒，该滤芯必须在干燥的环境中才能有效运行，由于合成气中含有水蒸汽，为了保证合成气在焦过滤内部不出现冷凝损坏滤芯，焦过滤壳体使用高压蒸汽伴热盘管伴热，伴热盘管的运行好坏直接影响到了焦过滤使用效果。

2 伴热盘管泄漏情况描述

气化装置焦过滤器于2018年10月1日投入使用，2019年3月28 日发生了泄漏，初步检查发现盘管存在多处开裂。有关焦过滤器伴热盘管的相关参数，详见表1。

表1 伴热盘管的基本情况

3 检验分析

3.1 伴热盘管的宏观、低倍分析

取泄漏位置的一段作为样品进行分析（长约270mm，带有一定曲率的弯管）。在盘管的外侧，泄漏点为横向（环向）裂纹，见图1。在盘管泄漏点的内壁有腐蚀发生，见图2。

图1 伴热盘管的外壁裂纹

图2 伴热盘管的内壁裂纹

3.2 伴热盘管的材质分析

从盘管（B）上切取块状样品，依据相关标准，使用光谱仪等，对盘管材质进行化学分析。结果表明，盘管材质成分符合304不锈钢的标准要求，见表2。

表2 盘管材质成分化学分析（wt%）

3.3 伴热盘管的金相分析

从盘管上切取横、纵向金相样品，经预磨、抛光、腐刻后，在显微镜下观察分析。盘管横向金相组织为单相奥氏体，见图3。盘管金相组织有晶间腐蚀倾向，参照GB/T 4334.1-2000 标准，盘管的晶间腐蚀程度为三类-沟状组织。

裂纹起源于盘管内壁，沿晶向外扩展，具有晶间应力腐蚀破坏的特征；在盘管的内壁边缘处，晶间腐蚀较为严重，局部还有鼓包发生，见图4至图6。

图3 盘管的晶间腐蚀程度

图4管内壁边缘晶间腐蚀较重

图5 盘管内壁腐蚀程度

图6 内壁局部有鼓包发生

3.4 伴热盘管的电镜分析

图7 盘管断口的低倍形貌（裂纹打开后形成的）

图8 盘管断口1处的SEM+EDS

将盘管上的裂纹人为地打开，得到一个盘管断口。观察可见，盘管断口上存在着三个不同的特征区域，其中1、3区域呈黑灰色；2 区域呈棕红色，见图7。选择1、2 两个特征区域进行电镜分析。

盘管断口1 区表面覆盖着很厚的腐蚀产物，主要为铁的氧化物，见图8。

3.5 分析与讨论

前面对失效的伴热盘管进行了多项理化检验分析，认为伴热盘管的失效性质为Cr-Ni奥氏体不锈钢晶间应力腐蚀开裂。

盘管晶间应力腐蚀开裂的发生主要与其敏化的材质、接触的环境介质及受力状态等因素有关。

（1）金相分析确认，盘管金相组织发生了一定程度的敏化，晶间腐蚀程度为三类-沟状组织。晶间腐蚀的发生会在一定程度上降低304不锈钢盘管的耐应力腐蚀开裂性能。

（2）研究表明，对于Cr-Ni 型奥氏体不锈钢，在高温水和水蒸气中产生应力腐蚀断裂的Cl-浓度门槛值是很低的。在有溶解氧存在时，几乎只要有Cl-存在，就可能发生应力腐蚀开裂。极端情况下，热水锅炉及热交换器等设备中虽然介质中的Cl-含量很低，但会因水的沸腾而使Cl-浓缩。例如曾有典型案例，介质中Cl-含量仅为1mg/L，在气相处也发生应力腐蚀断裂[2、3]。另有在高温水中，溶解氧对奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂影响很大，它与Cl-共存可增加应力腐蚀开裂的敏感性。一般认为，没有氧存在，仅含有微量Cl-，引起Cr-Ni 不锈钢的应力腐蚀破裂是相当困难的。若有氧存在时，即使Cl-含量为小于0.1mg/L的高纯水，也能使Cr-Ni不锈钢产生应力腐蚀开裂。另外，装置运行过程中，S元素在蒸汽中如果以H2S的形式存在，会在换热管表面形成FeS。FeS 在停工或检修过程中遇到氧和空气生成的连多硫酸，是不锈钢产生应力腐蚀的特定介质。连多硫酸造成的奥氏体不锈钢的应力腐蚀多为沿晶开裂。

对盘管断口的扫描电镜能谱分析，也表明再断口上（尤其是盘管内壁裂纹源处）有Cl、S、O 等腐蚀性介质的存在和局部富集。

（3）还有研究表明，在高温水环境中，奥氏体不锈钢发生应力腐蚀开裂所需要的应力值也很低，一种说法为3.5MPa，另一种说法为在1.4MPa 的应力下也可能发生应力腐蚀开裂。而伴热盘管服役时的工作应力是3.6MPa，加之，伴热盘管在其弯管加工过程中，盘管外弧侧也会有残余拉应力存在，残余应力和工作应力，会使得盘管外弧侧的应力状态完全具备应力腐蚀开裂的条件。

由此可见，伴热盘管的泄漏是在其材质敏化、Cl、S、O 等介质腐蚀并受到足够大的拉应力作用下，发生的晶间应力腐蚀开裂。

4 结语

（1）伴热盘管材质符合304 不锈钢的标准要求。（2）伴热盘管金相组织为奥氏体，但存在敏化倾向，盘管晶间腐蚀程度为三类-沟状组织。（3）伴热盘管开裂失效性质为晶间应力腐蚀破坏。造成盘管发生晶间应力腐蚀开裂的主要因素是：敏化的盘管材质，盘管内蒸汽中含有的Cl、S、O等介质的腐蚀破坏作用及盘管外弧侧受到的拉应力（弯管加工后的残余应力和盘管工作应力）等。（4）为防止此类故障再次发生，后续可以考虑将盘管材质由304不锈钢升级为Incoloy800铁镍基耐蚀合金。