某公司合成氨項(xiàng)目投產(chǎn)使用的末端冷卻器，運(yùn)行一年后出現(xiàn)換熱管斷裂現(xiàn)象。通過力學(xué)性能檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡與能譜分析等方法，對(duì)換熱管斷裂失效原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，殼程介質(zhì)循環(huán)水在使用過程中出現(xiàn)氯離子濃縮，同時(shí)換熱管在應(yīng)力作用下，從外壁向內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管斷裂失效。

U形管式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種化工裝置中。近年來不銹鋼U形換熱管因應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象屢有發(fā)生。文獻(xiàn)中的某煉油廠加氫裝置中使用的循環(huán)冷卻器，由于其U形管彎管部分在冷彎后未進(jìn)行消應(yīng)力處理，存在較大的殘余應(yīng)力。在濕H 2 S腐蝕環(huán)境下致使0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼換熱管在彎管處發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。本文介紹的某化工廠合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中的末端冷卻器運(yùn)行一年后停車（非故障原因）檢修，清洗設(shè)備后進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)泄漏等問題。再次開車使用三周后出現(xiàn)設(shè)備泄漏現(xiàn)象，隨即二次停車，在現(xiàn)場(chǎng)抽出管束，可見3根換熱管斷裂，查出多根換熱管泄漏，斷裂位置集中在換熱器上方管板背面靠殼程側(cè)，目前該設(shè)備已停止使用。本文對(duì)斷裂的冷卻器換熱管進(jìn)行宏觀形貌分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢驗(yàn)、金相組織分析及斷口的掃描電鏡與能譜分析，從而研究換熱管斷裂失效的具體原因。

該末端冷卻器殼程介質(zhì)為循環(huán)水，管程介質(zhì)為高壓空氣，設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。殼程循環(huán)水是下進(jìn)上出，設(shè)計(jì)溫度80℃，其中進(jìn)口工作溫度28℃，出口工作溫度38℃；管程高壓空氣是上進(jìn)下出，設(shè)計(jì)溫度220℃，其中進(jìn)口工作溫度182℃，工作壓力7.1MPa，出口工作溫度40℃；該冷卻器換熱管采用φ19×2mm的SA213-TP316L不銹鋼無縫管。

現(xiàn)場(chǎng)將泄漏冷卻器的管束抽出檢查，如圖2所示。目視檢查可見上半部分換熱管表面腐蝕較嚴(yán)重，有一層黃色腐蝕物，肉眼可見3根換熱管斷裂，隨即對(duì)該管束斷裂的管子及泄漏管進(jìn)行取樣。

1宏觀形貌分析

取樣管見圖3，其中1#和2#為帶斷口的換熱管，3#和4#為正常換熱管。

由圖3可見1#和2#失效管斷口及斷口附近的鋼管外表面覆蓋有明顯的黃色氧化物，管材外表面存在一定的腐蝕產(chǎn)物。將斷口試樣切下并清洗后斷口試樣宏觀形貌見圖4，黃色銹蝕產(chǎn)物大部分已清洗掉，在斷口附近的鋼管外表面可見較多的腐蝕凹坑。在斷口附近還可觀察到貫穿管壁的其它裂紋。

2化學(xué)成分分析

在四個(gè)換熱管上分別取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分采取光譜分析的方式，具體參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T11170-2008，結(jié)果見表1所示。ASMESA213 TP316L成分同時(shí)列于表中，由結(jié)果可見材料各元素滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3力學(xué)性能試驗(yàn)

分別在三個(gè)長(zhǎng)度足夠的換熱管上表面無異常處取整管拉伸試樣，檢測(cè)結(jié)果見表2，ASMESA213 TP316L力學(xué)性能同時(shí)列于表中，由結(jié)果可見材料抗拉強(qiáng)度、塑性延伸強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4金相分析

在1#、2#試樣斷口附近和3#、4#試樣上切取縱向試樣進(jìn)行金相分析，各試樣晶粒形貌見圖5，組織形貌見圖6。從圖中可以看出材料金相組織為正常奧氏體，晶粒大小均勻，平均晶粒度5.0級(jí)，金相組織未見明顯異常。

在1#和2#試樣斷口附近的表面同樣發(fā)現(xiàn)由多條起源于外表面的樹枝狀裂紋，有應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

5電鏡與能譜分析

將斷口試樣在掃描電鏡下觀察并用EDS方法檢測(cè)腐蝕產(chǎn)物成分，腐蝕產(chǎn)物形貌見圖7，除常規(guī)316L不銹鋼元素外，腐蝕產(chǎn)物中包含較多的Cl、Mg、S和P等腐蝕性元素。清洗后的斷口放在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌見圖8。兩斷口斷裂形式類似，均為起源于管外壁沿著管厚度方向延伸擴(kuò)展，裂紋源不止一處，裂紋在擴(kuò)展中二次分叉。斷口形貌呈河流花樣，河流花樣呈現(xiàn)不同的臺(tái)階，為準(zhǔn)解理斷口，屬于穿晶形斷裂。

6分析與討論

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取管宏觀檢測(cè)結(jié)果表明，換熱管斷口呈現(xiàn)一定程度的氧化。同時(shí)觀察到斷口處附近有貫穿管壁的其它裂紋存在。換熱管環(huán)向開裂主要發(fā)生在冷卻器上方管板背面靠殼程側(cè)，換熱管外壁有腐蝕特征，換熱管外壁有大量腐蝕產(chǎn)物。通過對(duì)取樣換熱管的力學(xué)性能檢測(cè)和化學(xué)成分分析，非金屬夾雜物含量較少，晶粒大小均勻，組織為正常奧氏體。其符合ASME SA213 TP316L的材料要求。

裂紋主要從換熱管外壁向內(nèi)擴(kuò)展，在裂紋擴(kuò)展過程中發(fā)生二次裂紋，裂紋尖端尖銳。斷口整體形貌為準(zhǔn)解理形貌，具有穿晶特征，少量區(qū)域?yàn)檠鼐嗔?，開裂斷口呈明顯的脆性開裂?？拷鹆言次恢玫耐獠勘砻嬗写罅康母g產(chǎn)物，經(jīng)能譜分析換熱管外壁和斷口腐蝕產(chǎn)物中均含有Cl元素。對(duì)于奧氏體不銹鋼來講，其應(yīng)力腐蝕的敏感元素是鹵素元素，尤其是Cl離子，其濃度應(yīng)控制在25ppm以下。

冷卻器的管程介質(zhì)為高壓空氣，進(jìn)口（上端）工作壓力7.1MPa。該設(shè)備運(yùn)行一年期間無問題，在停車檢修后二次開車時(shí)，大量的高壓空氣管程進(jìn)口進(jìn)入，通過管程的斜擋板反射進(jìn)入冷卻器上方換熱管，使上方的換熱管發(fā)生大的振動(dòng)，對(duì)換熱管產(chǎn)生大的沖擊應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力等附加應(yīng)力。另外換熱管與管板連接是貼脹+焊接，也會(huì)造成應(yīng)力高度集中。殼程介質(zhì)循環(huán)水在設(shè)備一直運(yùn)行中Cl離子濃縮于換熱管表面，形成易腐蝕環(huán)境。從該冷卻器的結(jié)構(gòu)看，其管程的斜擋板直接將高壓空氣反射到上方換熱管內(nèi)，反復(fù)的開停車也會(huì)造成換熱管振動(dòng)而發(fā)生疲勞斷裂。

綜上所述，冷卻器上方換熱管在管板背面靠殼程側(cè)發(fā)生斷裂失效的主要原因?yàn)椋簱Q熱管在使用時(shí)受到?jīng)_擊應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力等附加應(yīng)力，殼程介質(zhì)循環(huán)水中Cl離子出現(xiàn)濃縮附著于換熱管表面，增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性，導(dǎo)致冷卻器上方換熱管發(fā)生腐蝕。在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下，從外壁向內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，最終致使冷卻器腐蝕泄漏失效。

7結(jié)論

（1）該冷卻器材料選用316L奧氏體不銹鋼，在殼程有Cl離子濃縮現(xiàn)象，在附加應(yīng)力作用下導(dǎo)致殼程上方管板側(cè)換熱管外壁發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂從而設(shè)備失效。

（2）對(duì)于含Cl元素介質(zhì)工況的設(shè)備建議采用雙相不銹鋼取代316L、304L等奧氏體不銹鋼。管殼式換熱器失效與材料、結(jié)構(gòu)、工況及工作介質(zhì)等多種因素有關(guān)，往往是多種因素共同作用的結(jié)果。因此在換熱器的設(shè)計(jì)、選材、制造和使用過程中全面考慮各種影響因素，以防患未然。