换热器壳体腐蚀泄漏失效分析

魏广杰

（中国石油大庆石化公司，黑龙江大庆 163700）

0 引言

石油化工生产中的换热器设备应用较多，由于高温条件下的各类介质腐蚀性较强，会对换热器本体产生一定腐蚀，造成各类设备泄漏事故[1-3]。2017 年4 月，某石化公司MTBE（甲基叔丁基醚）装置在正常生产过程中，甲醇回收塔重沸器的壳程出口接管补强圈处因腐蚀而发生泄漏，造成装置紧急停工。

该重沸器结构为U 形管式换热器，投用日期为2016 年4月，壳体、出口接管和补强圈的材料分别为20#钢、Q345R，其他相关参数见表1。

表1 换热器工作参数

将发生泄漏的出口接管附近的壳体切割下，利用扫描电镜、金相显微镜、能谱仪等仪器进行检测分析，以查明换热器壳体泄漏原因，并采取相应的技术、应对措施消除类似安全隐患。

1 换热器壳体宏观检查分析

检查换热器壳体泄漏情况：壳体的出口泄漏直观表现为在补强圈检查孔处（后期封堵），补强圈与壳体的焊缝部位未发现泄漏点，由此判断换热器壳体与接管的连接处出现泄漏问题（图1）；由于流道剧变影响，换热器壳体出口接管附近内壁被冲刷腐蚀严重，冲刷腐蚀在焊缝处最严重，原始焊缝被削平一定厚度，并且焊缝处发现一个疑似泄漏点，疑似泄漏点位于里侧、远离封头（图2）。壳体出口附近内壁以折流板为界，折流板以内冲刷腐蚀很轻，内壁大部分还保留有原始氧化层；折流板以外出口附近内壁的原始氧化层基本被冲刷腐蚀掉，露出壳体金属本色。

图1 壳体外壁泄漏处形貌

图2 壳体内壁腐蚀形貌

在焊缝疑似泄漏处切取小试件，试件横截面的壳体与补强圈的焊缝比较完好，整个板厚基本焊透，而壳体与接管的的焊缝不完整（图3）。外侧还有一定深度的未焊透区域，分析认为，这是由于壳体直径只有700 mm，内壁处的壳体与接管焊缝施工作业比较困难，里侧的焊接质量可能较差、易出现未焊透现象。

图3 壳体与接管和补强圈的焊缝横截面

试样宏观检查发现，壳体内壁腐蚀减薄严重，其原始壁厚为8 mm，检查最薄处剩余壁厚只有5.2 mm，由此造成焊缝里侧连接处被腐蚀，外侧还有未焊透现象，导致壳体泄漏处的焊缝连接基本无剩余，壳体试件可以在焊缝处撬开取下来（图4）。

图4 壳体与接管的焊缝开裂形态

2 壳体内壁腐蚀微观检测与机理分析

将换热器壳体试件内壁超声清洗干净，用日立S-3400N 型扫描电镜观察内壁表面腐蚀微观形貌；在壳体的远离冲刷内壁用刮刀刮削一些氧化物，试样用离子溅射仪喷金导电处理，用能谱仪检测成分用牛津INCA350 型能谱仪检测内壁表面腐蚀产物成分，通过对试件外观表面分析及腐蚀产物组成分析，确认是否存在如应力腐蚀裂纹、酸碱腐蚀产物等明显的特征（图5）。

图5 壳体内壁腐蚀表面的微观形貌（500×）

（1）分析壳体内壁表面的腐蚀物成分，其中O 和Fe 的质量占比分别为12.16%和87.84%，原子数占比分别为32.58%和67.42%。可以看出，壳体内壁表面的主要成分为母材铁和少量氧化铁，未发现其他腐蚀元素。氧化物中也未发现碱腐蚀常有的钠盐等残留成分，由此排除高温碱腐蚀的可能。另外，试样宏观检查时发现，壳体出口接管与法兰及壳体与封头的焊缝冲刷腐蚀情况较严重，但焊缝横截面未发现裂纹，进一步排除介质造成碱脆和应力腐蚀的可能。

（2）常规高温氧化腐蚀一般残留有较厚的氧化层残留物，而壳体内壁只有微量氧化物残留（图5），这说明其腐蚀因素是酸性介质，生成的氧化物被酸性介质溶解冲刷了。

（3）换热器壳体介质为含少量甲醇的萃取水，非高纯度甲醇含有微量的甲酸等有机酸，在温度较高时对碳钢腐蚀很强（75 ℃以下腐蚀较弱，100 ℃以上腐蚀迅速加剧）[4-7]。换热器壳程上部出口温度最高（140 ℃），酸性介质腐蚀也最严重。换热器出口处介质流道剧变、此处冲刷作用加剧，再加上换热器壳体与接管的焊缝缺陷，由此造成焊缝处腐蚀泄漏发生。

3 壳体焊缝金相组织检测分析

在壳体焊缝残留较多处截取试件，经过金相砂纸和金刚石膏的研磨和抛光，再使用4%硝酸酒精溶液浸蚀，制备成金相试样，然后利用金相显微镜对试样金相组织进行观察分析（图6～图7）。

由图6 可以看出，壳体母材的金相组织为“铁素体+珠光体”，属于热轧正火组织。金相组织呈现轧制带状分布，轧制后未经过正火热处理消除带状组织，但是未发现组织偏析、内外壁脱碳等组织缺陷，非金属夹杂物尺寸很小，只有少量颗粒状（D 类）非金属夹杂物，按照GB/T 6394—2002《晶粒度评级图》，晶粒度为7 级左右，金相组织正常。

图6 壳体母材的金相组织（100×）

由图7 可以看出，壳体与接管的焊缝附近热影响区存在比较粗大的魏氏体组织，按照GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》，焊缝热影响区的魏氏体组织达到III 级。魏氏体属于金相组织中的有害相，晶粒比较粗大，具有强度低、脆性大等特点。当壳体与接管的焊缝在冲刷腐蚀掉一部分后，焊缝热影响区的魏氏体缺陷很容易造成剩余壁厚开裂，导致壳体泄漏失效。

图7 焊缝热影响区的金相组织（50×）

4 分析结论

（1）换热器发生泄漏部位在设备壳体与出口接管连接的焊缝位置。

（2）换热器壳体泄漏内在原因主要是由于设备壳体内壁与接管焊缝处未焊透，再加上魏氏体组织缺陷，造成焊缝剩余部分开裂，导致短期（1 年）泄漏失效。

（3）换热器壳体介质为含少量甲醇的水，而非高纯度甲醇一般含有微量有机酸，在温度较高时对碳钢腐蚀很强（75 ℃以下腐蚀较弱，100 ℃以上腐蚀迅速加剧），泄漏发生位置恰好处于高温区，该处酸腐蚀状况最为严重。

（4）由换热器体内壁腐蚀形态和腐蚀产物分析判断，内壁腐蚀为酸性腐蚀，在温度高、流道剧变处腐蚀最严重，壳体内壁出口处酸性介质腐蚀严重是造成壳体泄漏的外在因素。

（5）生产过程中加碱过多可能会造成碱腐蚀，但是试件检测结果未发现碱腐蚀特征，有可能在使用过程中出现过短期的碱腐蚀，但后期被酸腐蚀清除了痕迹。

5 技术措施

（1）对换热器壳体其他部位以及出口管线进行全面超声波测厚排查，对全部焊缝进行超声波无损探伤，排查出来一些壁厚减薄严重区域，发现部分焊缝存在未焊透等类似缺陷。

（2）为尽快恢复装置生产，集中更换了排查发现的换热器壁厚减薄严重区域，对存在未焊透等缺陷的焊缝重新进行补焊，以满足生产短期急需。

（3）为提高换热器材料的耐蚀性能，消除腐蚀隐患，新制造的换热器及配套管线拟换用304#不锈钢。

（4）对新制造换热器壳体与接管的焊接施工加强质量控制，避免出现未焊透，尽量消除热影响区的魏氏体。

（5）调研同类装置是否有使用合适的高温防腐涂料和施工工艺，后续设备升级改型时可以考虑在壳体和接管内壁制备防腐涂层。