杜守信，苏 辉，吕柏林

(辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺113001)

管板开裂渗漏原因分析

杜守信，苏 辉，吕柏林

(辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺113001)

通过宏观观察、金相分析、扫描电镜分析、能谱分析化学成分等一系列手段，对某厂区冷火炬液气化器在检修时发现管板产生的开裂渗漏问题进行分析研究。结果表明：管板的化学成分与标准不符；管程中的介质使管板表面产生氧化层以及温度差所产生的热应变循环作用是裂纹产生及扩展的主要原因。幵提出改进方案。

管板开裂；失效分析；改进方案

全国多家石油石化企业多次发生管板裂纹事故，不仅造成重大的经济损失，而且严重影响安全生产，带来很大安全隐患。本文对某厂区冷火炬液气化器在检修时发现管板产生的开裂渗漏进行分析研究。管板的材质为0Cr18Ni9。管程为乙烯，设计压力为1.0 MPa，最高工作压力为0.02 MPa，设计温度为－120 ℃/260 ℃。壳程为水蒸气，设计压力为0.7 MPa，最高工作压力为0.4 MPa，设计温度为260 ℃。2010年制造，2012年投入使用，使用年限仅为1年左右。经检查发现，裂纹纵横交错布满整个管板表面。内部液体不断通过裂纹向外渗漏，呈穿透型裂纹。冷火炬液气化器的渗漏，对生产安全会造成很大的影响，停产维修也会对生产造成极大的损失。研究此管板开裂渗漏的原因，对设计的改进，设备的生产制造及使用都具有非常重要的意义。

1 宏观检测及分析

1.1 开裂管板的宏观裂纹形貌

图1是开裂管板的宏观形貌。管程为两管程，管束与管板通过氩弧焊焊接，管板表面有锈层，颜色为灰黑色。裂纹布满整个管板表面，纵横交错，裂纹平直、细长，裂纹周围没有明显的塑性变形，开裂为脆性开裂。图2是换热管周围的裂纹，裂纹围绕换热管进行扩展。裂纹比较平直，细长，断断续续。

图1 开裂管板的整体形貌Fig.1 Cracking tube plate

图2 换热管周围裂纹的形貌Fig.2 Cracks around the tubes

宏观检验可以看到，管板开裂为脆性开裂，裂纹周围没有明显塑性变形。管板表面有多条裂纹纵横交错，呈龟裂状，属于多源裂纹。裂纹穿透管板，为穿透裂纹。从裂纹的位置看，裂纹不仅在管板的表面，在远离换热管处及管板的边缘也有裂纹。

0Cr18Ni9是奥氏体不锈钢，常温具有很好的抗电化学腐蚀性能。高温具有很好的抗高温氧化性能，低温具有很低的韧脆转化温度。具有很好的冷加工变形性能，是很好的塑性材料[1]。液气化器管板，为锻件，为了防止晶间腐蚀，锻造后应进行固溶处

理（加热到1 050 ℃后水冷）而不会开裂。

机械设备产生破坏失效的原因，可分为材料本身的原因即材料内部的缺陷等原因和受周围环境及运行条件等因素影响的外部原因。在这样的材质上产生脆性开裂的穿透型裂纹，可能是应力腐蚀，氢脆，晶间腐蚀，低温冷脆，热疲劳断裂等[2]。影响因素很多，机理复杂，所以，应从内部因素和外部因素两个方面进行进行综合分析。

1.2 宏观的初步分析与判断

由现场观察到的管板表面龟裂形貌来看可能是热疲劳或应力腐蚀开裂。管板开裂是受到应力的作用而产生的。从运行参数来看，管程和壳程的压力不大，（管程的工作压力为0.02 MPa，壳程的工作压力为0.4 MPa）管板的厚度为70 mm，所以，工作压力产生的应力很小。而由管程和壳程的温度差所产生的热应力应该是主要因素（管程的设计温度为－120 ℃/260 ℃，壳程的设计温度为260 ℃）。从现场金相观察可见，裂纹是穿晶断裂，所以，可以排除晶间腐蚀的可能性。管板材料的金相组织为奥氏体，符合0Cr18Ni9的组织要求[3]，为了确定管板开裂的真实原因，化学成分、夹杂物、宏观缺陷等需要进行检验。

2 微观检验及分析

2.1 裂纹的形貌

图3 管板表面管箱侧裂纹的扫描电镜图Fig.3 Crack of tube box side

图4 管板表面管箱侧微裂纹的扫描电镜图Fig.4 Microcracks of tube box side

图 3是管箱一侧管板表面裂纹的扫面电镜形貌。表面有一层氧化层。裂纹呈分叉状，有一定的宽度，裂纹附近没有塑性变形，是脆性开裂。将管板表面的氧化层（圆圈内的部位）放大到1 000倍进行观察，图 4。发现表面的氧化层有大量的显微裂纹，呈龟裂状，有的起层，有的剥落。此氧化层的微裂纹用肉眼很难观察的到。氧化物具有很大的脆性，受应力作用很容易产生开裂。此龟裂裂纹是热疲劳产生的，是管板产生开裂的源点。

图5是裂纹的扫描电镜图片，裂纹垂直于管板表面，垂直向管板内部伸展，扩展过程中，生成许多枝杈。裂纹尖端非常细小，带有枝杈。图 6，是裂纹扩展的金相显微镜剖面图。可见，裂纹形成于管板表面，垂直向管板内部进行扩展，裂纹穿过奥氏体的晶粒，在裂纹上有撕裂剥落的金属颗粒，裂纹分成枝杈，在裂纹附近有细小的裂纹，裂纹穿过奥氏体晶粒进行扩展，遇到晶界处裂纹改变方向。说明，裂纹扩展是沿着奥氏体的某一晶面进行的，是穿晶脆性断裂，即解理断裂[4]。

图5 管板剖面裂纹微观形貌Fig.5 Sectional microstructure of tube plate cracks

图6 裂纹的剖面显微组织Fig.6 Sectional microstruc- ture cracks

2.2 化学成分分析

表1是管板的化学成分分析，含碳量略高于标准，硫含量略有超标,铬含量略低于标准。碳含量高及铬含量低易产生晶间腐蚀。硫含量超标易产生热脆，非金属夹杂物增多，降低钢的韧性。

表1 化学成分分析Table 1 Chemical Analysis

2.3 金相检验

图7是管板的金相组织。组织为奥氏体。晶粒大小均匀，晶粒度评级为5级。表面有颗粒状夹杂物，判断为Al2O3夹杂物。进行能谱面扫描，确定这些夹杂物是Al2O3夹杂物和硫化物。通过扫描电镜背散射图8，可见在裂纹的附近有较多的夹杂物。

图7 管板的金相组织Fig.7 Microstructure of tube plate

图8 管板裂纹附近夹杂物的分布（右侧图片为扫描电镜背散射图）Fig.8 Distribution inclusions near tube plate cracks (picture on the right is a scanning electron microscope back-scatter plot )

2.4 断口检验

由图9可以看到在断口表面分布许多细小的颗粒，分析确定是具有氧化物的金属颗粒。幵且在断口表面有二次裂纹，是层状撕裂形貌。图10是清洗后的管板表面附近的断口，断口表面有台阶，有孔洞，台阶说明沿着某晶面开裂，孔洞是夹杂物。出现滑移台阶和二次裂纹，这些是剥落颗粒被挤压的形貌。

图9 断口的扫描电镜图片Fig.9 SEM images of fracture

图10 断口清洗后扫描电镜图Fig.10 SEM images of cleaned fracture

2.5 残余应力测试

采用应变仪对管板表面的残余应力进行的测试图。测试结果如表2。管板表面的各个方向上均具有压应力。说明，管板在使用过程中，接触低温介质，管板中心收缩，产生的是径向的拉应力，裂纹产生后，应力得到了释放。当温度回到常温时，管板膨胀，但是，由于有裂纹存在，表面管板恢复不到原来的位置，则产生了压应力。

表2 管板残余应力测试值Table 2 Residual stress test tube plate value με

3 综合分析与讨论

3.1 管板材质的影响因素

管板的材质为0Cr18Ni9。化学成分显示，含碳量、含硫量及含铬量超标。含碳量高和含铬量低，使钢的抗晶间腐蚀能力下降，在晶界处容易析出Cr23C6的金属化合物，在晶界附近含铬量降低，从而降低晶界处的电极电位，使晶界成为阳极[5]。但是从以上分析来看，管板开裂渗漏幵非由晶间腐蚀产生。硫含量的超标，会形成非金属硫化物，使钢韧性下降。以上的试验中，也看到钢中含有较多的非金属夹杂物。硫化物的走向与裂纹相垂直。虽不能说对管板开裂产生主要影响，但也说明材质没有达到标准要求。从断口的宏观形貌上看，其氧化颜色呈灰红色，应该是高温400 ℃以上温度才能产生的氧化颜色。而管板使用温度最高只有260 ℃，那么裂纹的产生，可能是在加工过程中（锻造或热处理中）产生的。

3.2 热疲劳的因素

由于环境温度的交替变化引起热应变循环导致疲劳失效称为热疲劳[6]。热疲劳的裂纹是多源裂纹，表面呈龟裂状，内部呈枝杈状或较平直，裂纹中嵌入氧化物，断口粗糙有氧化物覆盖，呈褐色或深灰。开裂的管板由于受较大的温度差，运行幵不连续，符合低周热疲劳的环境条件。管板表面裂纹的形貌呈龟裂状，内部裂纹呈枝杈状，断口表面有氧化物覆盖，裂纹中有氧化物嵌入。从管板表面氧化物的扫描电镜图中可见，表面有大量的显微裂纹，裂纹呈龟裂状，有明显的热疲劳特征。从扫描电镜的断口形貌观察，有剥落金属颗粒挤压的痕迹，应力测试也显示，管板停止使用的情况下，内部具有挤压应力。说明管板受到拉压应力的交替作用。

3.3 应力腐蚀的因素

不锈钢在特定的腐蚀性介质和拉应力(可以是焊接、弯曲或其它成形工艺引起的残余应力，也可以是内压、机械载荷或热膨胀引起的应力)的同时作用下会出现低于强度极限的脆性开裂现象，称为应力腐蚀。应力腐蚀断裂过程可分为三个阶段：萌生

阶段、裂纹扩展阶段和失稳断裂阶段[7]。奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂为穿晶断裂，裂纹从表面开始，裂纹分叉，有二次裂纹。裂纹走向与正应力垂直。这些特点与实验结果相一致。不同成分的合金产生应力腐蚀介质是不同的。奥氏体不锈钢产生应力腐蚀的介质有 Cl-，OH-，H2SO4等[8]。管板开裂是从管箱一侧开始的。管程的介质为乙烯，而非电解质，但是乙烯介质中含有一定量的氧气，水蒸气等，虽然含量较少，但随着乙烯的蒸发也会有少量水残留在裂纹乊中。

另外，管箱中的介质使管板表面产生了化学腐蚀，形成了氧化层，幵且管板表面的氧化层产生有大量的显微龟裂裂纹，是裂纹形成的源点。从断口扫描电镜中可以看到，断口表面也产生了氧化。幵且，氧化物上存在很多微小的裂纹。

4 结论与建议

本研究得到以下结论：（1）管板的化学成分与标准不符，含碳量、含硫量高，含铬量低，夹杂物多。（2）管板开裂为脆性断裂和正断断裂。裂纹扩展过程中有分叉，裂纹是沿着奥氏体的某一晶面开裂的。（3）裂纹从管箱一侧的管板表面首先形成，管板表面氧化层上的显微裂纹是裂纹形成的源点。低温是管板变脆的原因。管程中的介质使管板表面产生氧化层以及温度差所产生的热应变循环作用是裂纹产生及扩展的原因。 建议：（1）在管板生产加工过程中，选择符合标准的材料，对管板锻件进行严格的无损检测，防止表面和内部存在不允许的缺陷。提高管板表面的加工精度。固溶处理采用深冷处理，防止奥氏体在使用过程中向马氏体进行转变。（2）在对乙烯气化前，尽量对其进行升温，防止由于温度差过大而产生大的热应力。（3）对此材料的低温性能和组织性能进行深入研究，确定其是否能满足使用要求。

［1］兰州石油机械研究所．换热器（中册）[M]．北京：烃加工出版社，1988：67-132．

［2］中国科学院应用化学研究所金属腐蚀组．换热器管板的腐蚀与防护[J]．金属腐蚀与防护，1974，13（1）：38-42．

［3］冯端．金属物理学[M]．北京：科学出版社，1998：132-143．

［4］A.L. Schaeffler. Constitution diagram of stainless steel weld metal [J]. Metal Prog,1949, 56(6):680-688.

［5］熊建钢，胡乾午，谢明立，等．不锈钢换热器失效原因分析[J]．物理测试，2001，19（5）：14-17．

［6］R.B.Tait, J.Press. An Experimental Study of the Residual Stresses and their Alleviation in Tube to Tube-Sheet Welds of Industrial Boilers[J]. Engineering Failure Analysis, 2001(8): 15-27.

［7］陶春虎，杜楠，张卫方．失效分析发展问题的思考[J]．失效分析与预防，2006，1（1）：1-5．

［8］王培铭, 许乾慰. 材料研究方法[M]. 北京： 科学出版社,2005:78-85.

Analysis on Cracking Leakage of Tube-plate

DU Shou-xin, SU Hui, LV Bo-lin
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001）

The problem of cracking and leakage about the tube-plate of torch cold liquid vaporizer was studied by the methods of macroscopic observation, metallurgical analysis, scanning electron microscopy (SEM), EDX chemical composition and so on. The results show that, chemical composition of the tube-plate does not match the standard; oxide scale on the surface of tube plate and cyclic thermal strain generated by the temperature difference are main reasons to cause cracks. At last, improvements were put forward.

Tube plate cracking; Failure analysis; Improvement program

TQ 051

A

1671-0460（2014）10-2032-04

2014-03-15

杜守信（1988-），男，辽宁抚顺人，硕士，2014年毕业于辽宁石油化工大学材料学专业，研究方向：失效分析及寿命评估。E-mail：dsx01@163.com。

苏辉（1961-），男，副教授，硕士，研究方向：失效分析及寿命评估。E-mail：suhui0405@126.com。