2205 双相不锈钢换热器管板开裂分析与思考

2015-11-29孙滨

石油化工腐蚀与防护 2015年5期

孙滨

(兰州金峰包装制品有限公司，甘肃兰州 730060)

双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体不锈钢相比，其塑性、韧性更高，无室温脆性，且焊接性能显著提高，但是也保持了铁素体不锈钢的475 ℃脆性。与奥氏体不锈钢相比，强度高、导热系数高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性能大幅度提高。2205 双相不锈钢是所有双相不锈钢中应用最多的钢种，在石化行业也得到广泛的应用。某炼油厂蒸馏装置常压塔顶循换热器采用2205 双相不锈钢制造，使用一周期(3 年)发现管板出现大量细小裂纹。文章就此问题展开分析讨论，找出开裂原因和预防措施。

1 开裂情况

该换热器是常压塔顶循第1 级换热器，管程介质是顶循油，压力0.92 MPa，入口温度138 ℃，出口温度119 ℃;壳程介质是原油，压力2.5 MPa，入口温度60 ℃，出口温度97 ℃。换热器打开经冲洗后，宏观上看表面干净整洁(见图1)，放大观察可发现管板上存在很多细小裂纹，其放大50 倍照片见图2。所有裂纹均处在管板母材上，焊接部位未发现裂纹。

2 理化检查

2.1 元素、铁素体与硬度测试

采用NITON XLT XRF 合金光谱仪对换热器管板合金元素测定，结果见表1。由表1 数据可看出，材料主要成分符合标准要求。

图1 换热器冲洗后形貌

图2 管板上的细小裂纹50 ×

表1 换热器管板合金元素测定结果 w，%

采用FERITSCOPE FMP30 铁素体测量仪与TH-160 里氏硬度计测试铁素体含量及硬度，测定结果见表2。由表2 看出，母材铁素体含量偏低，焊缝正常;开裂部位硬度偏高。

表2 铁素体含量及硬度测定结果

2.2 金相检查

图3 是开裂部位的金相照片。由图3a、图3b可以看出:管板材料组织是奥氏体+铁素体，同时注意到，管板材料经过轧制处理，铁素体被拉长，沿轧制方向层状分布;裂纹在材料内部扩展，呈树枝状，沿晶、穿晶皆有;金相照片上出现白色亮点，应是有新相析出。

3 分析与讨论

3.1 介质因素

该换热器管程介质为顶循油。经过电脱盐装置后原油中的盐类仍有残余，在一定条件下水解会生成HCl，在常压塔顶部聚集。在顶循油中同时含有少量的HCl 和少量的水蒸汽，经过顶循泵的加压以及换热器的冷却可在局部生成盐酸，腐蚀性很强。检修过程中发现，在顶循油抽出泵出口第一个弯头有氯化铵沉积。因此该换热器的腐蚀主要是氯离子引起的。

3.2 材质因素

2205 双相不锈钢的耐蚀性能与其组织中奥氏体、铁素体的比例以及析出相关系密切，一般而言，奥氏体与铁素体的比例为1∶1(50%∶50%)且没有析出相时耐蚀性能最佳，该案例中2205 双相不锈钢母材中铁素体体积分数仅为40%左右，且有析出相，因此其耐蚀性能较差，遇到富含氯离子的介质，导致发生氯化物应力腐蚀开裂。

3.3 使用2205 双相不锈钢的思考

2205 双相不锈钢的耐蚀性能在奥氏体与铁素体的比例为1∶1(50%∶50%)且没有析出相时最佳。2205 双相不锈钢在成分合格的情况下，组织中的奥氏体与铁素体的比例主要由其固溶处理温度决定。研究表明:在固溶处理时，随着固溶温度升高，2205 双相不锈钢组织内的铁素体含量逐渐增加;固溶处理后，温度低于800 ℃的热处理对双相不锈钢组织中的奥氏体与铁素体的比例基本不产生影响［1-2］。该案例中换热器管板采用2205 +碳钢复合制造，2205 复合层成分合格，因此可认定该2205 原材料固溶处理温度不合适，导致铁素体在组织中的比例偏低。所以建议使用2205 双相不锈钢制作设备时，应具有严格的检验制度，避免具有缺陷的材料在产品中使用。采用2205 双相不锈钢复合板是一个值得思考的问题，由于爆炸复合后需要进行消除应力退火处理［3］，相当于对2205 双相不锈钢进行时效处理，不可避免的导致σ 相析出，由于σ 相富含Cr 和Mo，且脆性很大，对2205 双相不锈钢的耐蚀性带来非常不利的影响［4-5］。案例中金相观察发现有新相析出，同时硬度偏大，这应是消除应力退火处理导致的问题。因此2205 双相不锈钢不建议使用复合板材料。