空气冷却器管束丝堵断裂原因分析及措施

张 嫄

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化公司, 黑龙江 大庆 163711)

空气冷却器是炼化企业常用的冷换设备，其中，管式空冷器是最常用的形式。空冷器管程介质通常为油气，若出现泄漏有一定风险。而众多空冷器管端丝堵是管程的主要密封零件。2018年，某炼油厂制氢装置开工过程中发现空气冷却器丝堵多处泄漏，遂进行紧固，紧固过程中发现有1处丝堵断裂，1处丝堵本体有裂纹。经了解，类似问题在同行业中并非个案，尤其是在炼油企业，更是时有发生。该空冷器的管束、丝堵材质为S30408 不锈钢，其中，丝堵规格尺寸为M30 mm×2 mm，投用日期为 2018 年 9 月；管程介质为中变气(主要成分为CO2、H2、O2、N2、CH4、CO)，操作温度125 ℃，操作压力2.2 MPa。该空冷器现场图片见图1。

图1 空冷器现场

1 丝堵宏观检查分析

丝堵断裂部位在螺纹尾端(接近螺杆与螺帽的根部)，断口的大部分区域表面粗糙，并且颜色暗灰，有氧化腐蚀痕迹，其中一侧有1小块光亮的最后断裂区(瞬断区)。旧丝堵的断口宏观形貌见图 2。整个断口符合应力腐蚀断口宏观特征。

图2 旧丝堵的断口宏观形貌

将旧丝堵纵向切割，其纵向横截面的宏观形貌见图 3。由图3可以看出，在螺杆与螺帽的根部，还存在有细长裂纹，这是应力腐蚀的多裂纹宏观特征。由上述旧丝堵宏观形貌可以初步判断，旧丝堵断裂性质属于应力腐蚀开裂【1】。

图3 旧丝堵的纵向截面宏观形貌

2 丝堵断口微观检测分析

选取新、旧丝堵断口试样，用扫描电镜分析断口表面微观形貌，见图4～图7。

图4 新丝堵断口的微观形貌(200×)

图5 新丝堵断口的微观形貌(500×)

图6 旧丝堵断口的微观形貌(100×)

图7 旧丝堵断口的微观形貌(500×)

由图4和图5可以看出，新丝堵断口的微观形貌为塑性韧窝，无脆性解理和沿晶特征，说明新丝堵塑性好，无加工过程中渗氢脆化现象。

由图6和图 7 可以看出，旧丝堵断口的微观形貌完全为颗粒状的沿晶特征， 这是一种典型的脆性断口特征。304 奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的裂纹一般为穿晶或穿晶与沿晶混合的扩展方式，而这种全部断口都是完全地沿晶扩展的情况只有在奥氏体组织晶界弱化或者氢脆等条件下才会发生。

用能谱仪检测断口试样表面腐蚀产物成分，详见表1。由表1可见，旧丝堵断口表面腐蚀产物成分主要为铁的氧化物，还含有微量的奥氏体不锈钢应力腐蚀敏感元素氯和硫，说明丝堵主要是由于微量氯离子的存在产生的应力腐蚀，微量硫化氢促进了晶间腐蚀进程，即加速了应力腐蚀的速率以及促使其选择沿晶开裂【2】。

表1 旧丝堵断口表面腐蚀产物成分

3 丝堵材质成分检测分析

利用光谱仪检测新、旧丝堵金属成分，结果显示，均符合标准要求。在新、旧2个丝堵表面上打磨取样 6 处，利用碳硫分析仪对丝堵材质成分的含碳量和含硫量进行检测分析，结果见表2。

由表2可以看出，按照GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》对于不锈钢 S30408(国内牌号 06Cr19Ni10)含碳量要求，新丝堵的含碳量符合标准，但是断裂的旧丝堵的含碳量严重超标，材质不合格。

表2 丝堵材质成分检测结果 (质量百分比)

4 丝堵金相组织与夹杂物检测分析

选取旧丝堵和新丝堵试样，经过金相砂纸研磨和抛光后，先用金相显微镜进行夹杂物分析评级，再用王水溶液浸蚀，制备成金相试样，利用金相显微镜进行金相组织分析。新丝堵抛光表面夹杂物的形貌见图8。新、旧丝堵腐蚀后的金相组织分别见图9～图11。

图8 新丝堵的抛光表面夹杂物(500×)

图9 新丝堵腐蚀后的金相组织(100×)

图10 旧丝堵腐蚀后的金相组织(100×)

由图 8 可以看出，新丝堵抛光面的微观组织中，含有很多长条状的夹杂物。依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检测法》，新丝堵组织中的夹杂物按照 A 类或者 C 类评级为 3.0 级。

由图9可以看出，新丝堵的金相组织正常，为奥氏体组织，晶粒比较细小，晶粒度为 7 级，晶界清晰无异常。

由图10～图11可以看出，旧丝堵的金相组织粗大，晶间有较明显碳化物析出。

图 11 旧丝堵腐蚀后的金相组织(500×)

5 分析结论与技术措施

断裂的旧丝堵含碳量严重超标，金相组织粗大、晶间碳化物析出，造成晶界贫铬和耐蚀性能下降，是发生断裂的因素之一。介质中含有硫化氢和氯离子，低温环境下介质中会有凝结水析出，对304不锈钢造成腐蚀【3】，而丝堵紧固时存在力矩，使其根部产生了很高的拉应力，说明该环境具备产生应力腐蚀开裂的条件。新丝堵(未使用)微观组织发现夹杂物超标，说明该批丝堵存在制造原始缺陷。经综合分析，该丝堵使用过程中存在应力腐蚀开裂倾向，且同时存在材质不合格的情况，二者共同作用造成了丝堵开裂。

为了保证空冷器运行安全，更换了同批次丝堵，同时，对新采购的丝堵进行抽查检测，确认合格后再使用。