對哈氏合金U形管換熱器頻繁出現的腐蝕斷裂問題,從材質、運行工況等方面進行了分析 采取了更換材質等防腐技術措施,收到了很好效果。

　　關鍵詞：U形管換熱器;哈氏合金;腐蝕;斷裂

　中圖分類號：TQ 051.501; TQ 050.91　文獻標志碼: B

　 哈氏合金是美國Haynes International公司 N10665鋼的商業名稱,它具有良好的耐鹽酸、醋酸、硫 酸等還原性介質或氧化性介質的耐蝕性能[1],這種以 鎳鉬為基礎的合金具有強度高、延性好、硬度高和易 被加工硬化的特性。因此,在化工行業中得到廣泛地 應用。但是某公司石油樹脂廠一臺U形管換熱器在 使用這種材質時卻出現了頻繁腐蝕開裂問題。

　該U形管換熱器（以下稱H-601 U形管換熱 器）使用的材質是美國進口哈氏合金（牌號 N10665）,于2003年3月投用,使用僅6個月就在 換熱管煨彎處發生腐蝕開裂,導致裝置停工。臨時 用316L不銹鋼鋼管替換,僅使用3 d也在煨彎段出 現開裂。

　 為防止類似事故的發生,筆者從材料化學成分、 宏觀斷口特征以及運行工況等方面著手,對H- 601U形管換熱器斷裂原因進行了分析,并提出相 應的解決方法。

　1　設備簡介

　頻繁發生腐蝕開裂問題的H-601U形管式換熱 器的換熱管規格為Φ19 mm×2 mm。換熱器的管 程介質為樹脂液,入口溫度為100℃,出口溫度為 280℃,管程工作壓力為1.7 MPa。殼程介質為導 熱油,入口溫度為330℃,出口溫度為310℃,殼程 工作壓力為0.8 MPa。

　 H-601U形管換熱器哈氏合金U形換熱管煨彎段開裂部位示意圖見圖1。現場檢查表明,管束直管段無明顯減薄現象,個別列管在U形彎段出現開裂,裂紋走向為徑向,裂口附近沒有減薄現象,管束列管沒有發現局部脹粗和鼓包現象。

　　2　失效分析

　　2.1　換熱管材質分析

　　原換熱管所用的材質為N10665（國際鋼鐵牌 號,標準UNS）的鎳基NibMo合金,其化學成分見 表1。

表1牌號N10665的哈氏合金化學成分 %

　換熱管所用的材質為哈氏合金,是鎳基耐蝕合 金（w（Ni）≥50%）,其金相組織、物理性能和耐腐蝕 性能介于不銹鋼和純鎳之間,屬于奧氏體結構金 屬[2]。因此,由奧氏體不銹鋼的腐蝕特性知,哈氏合 金鋼在氧化性介質中可能存在晶間腐蝕、在有氯離 子的介質環境中也容易引起應力腐蝕。

　2.2　介質分析

　H-601U形管換熱器管程介質為聚合反應后經 堿洗和水洗的樹脂液,對腐蝕介質成分進行取樣分 析,檢驗結果見表2。由表2可見,樹脂液中氯離子 的質量濃度達80~130 mg/L、硫元素的質量濃度為 17~33 mg/L。

　根據文獻[3],奧氏體不銹鋼發生氯離子導致的 應力腐蝕開裂的溫度敏感區一般是150~280℃,在 這一溫度區域內,氯離子質量濃度很小就可以引起 奧氏體結構的晶間腐蝕而導致腐蝕開裂[4]。H-601 U形管換熱器管束部件的工作溫度大體在100~ 190℃,有部分區域正處于容易發生應力腐蝕開裂 的溫度區間。

　2.3　應力的影響

　H-601 U形管換熱器管束的應力來源主要有: ①從操作條件上看,管程介質（樹脂液）入口溫度 100℃,出口溫度280℃,進、出口溫差較大,導致進 料段和出料段的管子的膨脹和自由伸長量不同。然 而兩者又是通過管板剛性地連接在一起,因此,進料 段和出料段的管子會由于伸長量的不同產生相互作 用力,即產生溫差應力。從結構上來看,管板是固定 端,管束煨彎段是自由端。當產生溫差應力時,應力 會集中在自由端的換熱管上。②換熱管的彎曲半徑 過小,*小處僅4 cm,有結構形式上的突變,產生的 應力不能均勻分布,也得不到緩解乃至消除,這使得 煨彎處的局部應力值急劇升高,在設備運作過程中 產生的各種應力就會集中在U形換熱管煨彎段造 成應力集中。集中的應力是金屬構件產生應力腐蝕 斷裂的一個重要誘因。

　2.4　腐蝕開裂原因

　綜合以上分析,換熱管材質哈氏合金和316 L 工作的介質環境、溫度環境具備了發生應力腐蝕的 條件,而U形換熱管煨彎段的應力集中是個別U形 換熱管煨彎段發生開裂的重要誘因。

　3　改進措施及效果

　根據以上分析,更換換熱器管束材質成為優選, 考慮原H-601 U形管換熱器換熱面積僅32 m2,由 于換熱面積較小,管束U形彎處沖刷腐蝕較為嚴 重。因此,根據H-601 U形管換熱器腐蝕現狀及實 驗室選材試驗結果,通過適當增大換熱器尺寸以增 加換熱面積來減小對管束煨彎段的沖刷。

　新更換的H-601U形管換熱器管束材質選用 20#鋼制作,換熱面積增大至為50 m2,防腐措施也 于裝置檢修時實施。目前,新安裝的20鋼H-601 換熱器管束已運行近1 a時間,未發現有泄漏現象, 運行情況良好,可以滿足設備長周期運行需要。