我國西部某油田處理站的凝析油處理工藝主要采用“閃蒸+蒸餾”,凝析油穩定塔塔底重沸器是凝析油處理工藝中的重要環節,但是由于腐蝕問題換熱管束頻繁失效,造成嚴重損失[1-3]。重沸器換熱管束失效案例屢見不鮮[4-10],失效原因包含多個因素,如材料質量、制造過程、服役介質、管束震動、氣蝕等。 

該失效重沸器于2014年服役,2019年管束開裂失效,運行期間重沸器一備一用,因此其總共服役時間為2.5 a。該重沸器為U形管式釜氏重沸器,管程設計壓力為1.18 MPa,設計溫度為300 ℃,管程介質為導熱油,導熱油進出口設計溫度分別為280 ℃和220 ℃。運行期間,殼程凝析油進口溫度約50 ℃,凝析油出口溫度約75 ℃,殼程運行壓力約0.18 MPa；管程導熱油進出口溫度分別約為240 ℃和210 ℃,管程運行壓力約0.4 MPa。換熱管束材料為2205雙相不銹鋼。為了明確換熱管束失效原因,對換熱管束進行了宏觀檢查、化學成分和組織檢查、殘余應力測試、斷口分析以及浸泡試驗,探討了管束腐蝕開裂的特征及成因。 

1.   理化檢驗與結果

1.1   宏觀檢查

為了確定重沸器管束的失效原因和失效位置,將所有管束進行拆解、打磨,采用滲透檢測對換熱管束表面的裂紋進行測試。結果表明,管束的失效形式主要為開裂,共計42根U形換熱管出現裂紋,裂紋數量達到203條,裂紋分布及典型形貌如圖1所示。另外,出現開裂的換熱管位于整個管束的最外層。該重沸器管程介質為導熱油,并且導熱油的流向比較復雜。導熱油從進口(B區)進入,經U形管束后從D區流出,再經重沸器封頭流入C區,最后從A區流出。其中B區和D區的U形管束內導熱油溫度相對較高,A區和C區導熱油溫度相對較低。由圖1(a)可見,高溫區(B區和D區)失效U形管數量相對較多,達到27根,裂紋數量達到144條；溫度相對較低的A區和C區同樣出現裂紋,失效管數量為15根,裂紋數量為59條。相比較而言,高溫區管束的失效問題更為嚴重。由圖1(b)可以看出,管束表面裂紋數量最多達到29條。 

圖  1  換熱管束裂紋分布和裂紋典型宏觀形貌

Figure  1.  Crack distribution in heat exchange tube bundle (a) and macrographs of typical cracks (b)

1.2   化學成分和組織檢測

采用ARL 4460型直讀光譜儀分析直管段和U形彎的化學成分,結果如表1所示。結果表明,開裂管束直管段和U形彎的化學成分均符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》標準對2205鋼的要求。 

采用MEF3A型金相顯微鏡及圖像分析系統對直管段和U形彎進行金相分析,結果如圖2所示。結果表明,失效管束直管段和U形彎的非金屬夾雜物均為薄系A0.5、B0.5和D0.5,組織為γ+α,兩相分布均勻,α相體積分數分別為45.03%和57.99%,無析出相。 

圖  2  失效管束直管段和U形彎的顯微組織

Figure  2.  Microstructure of failed heat exchange tube bundle: (a) straight section; (b) U-shaped section

1.3   殘余應力測試

依照GB/T 31310-2014《金屬材料殘余應力測定-鉆孔應變法》標準對失效管束進行殘余應力試驗,共測試了3個平行試樣。測試位置如圖3所示,包含直管段和U形彎區域共計5個點。首先,在應變花上對應的圓孔內采用慢速鉆孔儀打孔,孔深為孔徑的1.2倍。然后,通過靜態電阻應變儀測量釋放的應變值,按式(1)~(2)計算得到相應的殘余應力。 

式中：εx和εy分別為環向和軸向釋放應變,應變數量級為10-6；σx和σy分別為環向和軸向殘余應力；A、B為應變釋放系數,單位為MPa-1。 

圖  3  失效管束殘余應力測試點分布

Figure  3.  Schematic of residual stress test point distribution in failed tube bundle

由表2可以看出,盡管開裂后管束局部的殘余應力得到了釋放,但是在開裂區周圍仍存在較大的殘余拉應力,最大值達到262 MPa,并且不同曲率半徑和不同位置對應的殘余應力分布不均勻。 

1.4   斷口分析

在開裂位置即U形彎處取斷口試樣,采用Philips XL-20型掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)分析斷口試樣。由圖4可以看出,裂紋從外壁起裂向內壁擴展,在裂紋尖端出現明顯的二次裂紋,且裂紋尖端存在明顯的穿晶和沿晶特征。由圖5可以看出,在開裂試樣表面存在明顯的點蝕行為,并且在裂紋起始位置可見明顯的點蝕坑,這說明管束裂紋起源于表面生成的點蝕坑。由圖6可以看出,斷口表面無明顯頸縮和局部減薄特征,高倍下可以觀察到明顯的解理臺階、河流狀花樣以及大量二次裂紋,呈現明顯的脆性斷裂特征。能譜測試結果表明,斷口表面存在Fe、Cr、Ni、Mo、C、O、Cl等元素。 

圖  4  斷口截面形貌

Figure  4.  Cross-section morphology of fracture: (a) overall fracture; (b) crack tip

圖  5  開裂試樣截面形貌

Figure  5.  Cross-section morphology of cracked specimen

圖  6  斷口表面形貌及能譜分析結果

Figure  6.  Morphology of fracture surface at low (a), high magnification and EDS analysis results (b)

2.   應力腐蝕試驗

采用高溫高壓反應釜模擬現場服役工況研究U形管束的失效行為。從失效管束上切割獲得尺寸為65 mm×5 mm×1.5 mm的試樣,依次采用240號、400號、800號、1200號的SiC水砂紙打磨試樣表面。再依次采用離子水、丙酮超聲清洗,冷風吹干后置于干燥器中備用。采用四點彎曲夾具對試樣進行加載,依據殘余應力測試結果,加載應力分別為70, 150, 250 MPa。腐蝕介質為模擬氣田水溶液,其離子含量如下：236 mg/L 、1 140 mg/L 、79 000 mg/L Cl-、2 941 mg/L Ca2+、317 mg/L Mg2+、47 930 mg/L(K++Na+)。將試樣置于高溫高壓反應釜、浸泡在腐蝕介質中進行腐蝕試驗,試驗時間為720 h,溫度為240 ℃。試驗結束后,取出試樣,用蒸餾水沖洗干凈并用冷風吹干；用除膜液(配方詳見GB/T 16545-1996)在60 ℃下去除試樣表面的腐蝕產物(時間20 min)；在室溫下用無水乙醇脫水、吹干、干燥。在光學顯微鏡下觀察試樣表面是否存在裂紋(放大10倍)。 

由圖7可以看出,當加載應力為70, 150, 250 MPa時,試樣表面均出現明顯的裂紋,并且隨著應力增大,對應試樣上裂紋的數量增加。由圖8可見,當加載應力為70 MPa和250 MPa時,在裂紋尖端能夠觀察到明顯的二次裂紋和穿晶特征。應力腐蝕試驗結果表明,2205不銹鋼存在明顯的應力腐蝕敏感性。 

圖  7  不同加載應力下浸泡腐蝕后試樣的宏觀形貌

Figure  7.  Macrographs of specimens after immersion corrosion at different loading stress

圖  8  不同加載應力下浸泡腐蝕后裂紋形貌

Figure  8.  Morphology of cracks after immersion corrosion at different loading stress

3.   失效原因分析

由失效管束斷口的形貌及能譜分析結果可以看出,該2205雙相不銹鋼的斷口呈現脆性斷裂的特征,并且斷口表面存在明顯的點蝕坑以及Cl-,據此推測該管束的失效原因為氯化物應力腐蝕開裂。通常認為,應力腐蝕開裂發生需具備三個條件：敏感材料、腐蝕環境和應力。從材料角度分析,該失效管束的化學成分滿足GB/T 20878-2007標準要求,組織也無異常,奧氏體和鐵素體體積比接近1∶1。從應力角度分析,換熱管束表面存在明顯的殘余拉應力,其中最大的殘余拉應力達到262 MPa。從腐蝕環境角度分析,在2014年至2018年管束表面存在明顯結鹽情況,在2018年底引入洗鹽工藝,管束服役半年后出現大面積開裂,因此失效管束服役環境為高溫-結鹽-含氧苛刻環境。應力腐蝕試驗結果表明,在高溫模擬氣田水環境中,2205雙相不銹鋼在較低應力條件下同樣會出現應力腐蝕開裂。結合殘余應力測試結果可知,2205不銹鋼管束的開裂與制造或運行過程產生的殘余應力以及服役環境相關。 

在2018年之前,管束失效形式為表面結鹽,但是在引入未除氧的洗鹽水后,管束在短時間內開裂。溶解氧可以作為強去極化劑加速腐蝕,也有研究表明溶解氧有助于加速鈍化膜的生長,提高鈍化膜的穩定性[11-14]。但是,一旦鈍化膜破裂,氧含量增加會促進點蝕的生長。該失效重沸器管束表面處于高溫-結鹽復雜環境,隨著溫度的升高,鈍化膜的穩定性逐漸降低[15-16],點蝕敏感性逐漸增加。結鹽的影響主要體現在兩個方面：一方面,凝析油中水與沉積鹽接觸,使鹽溶解,加速鈍化膜破壞過程；另一方面,沉積鹽作為“沉積層”,導致管束表面發生垢下腐蝕,進一步加速鈍化膜的破壞。 

綜上分析,可推斷管束開裂的原因為應力腐蝕開裂,其機理為陽極溶解。失效過程如圖9所示[17-18]。在服役初期管束表面光滑,隨著換熱過程的進行,凝析油中的鹽逐漸形核并且在管束表面沉積,出現結鹽現象；洗鹽水中的氧與管束表面接觸,表面鈍化膜逐漸破裂,裸露出新鮮金屬；在鹽沉積、高溫、氧的共同作用下,點蝕生長加速；在殘余拉應力的作用下,管束表面的點蝕向裂紋轉變；當點蝕轉變為裂紋后,在鹽沉積、高溫、氧的共同作用下,裂紋尖端鈍化和溶解交替出現,最終在拉應力和腐蝕介質的共同作用下,裂紋不斷擴大,直至管束斷裂。 

圖  9  管束失效機理示意圖

Figure  9.  Schematic diagram of fracture process mechanism of tube bundle

4.   結論

（1）重沸器2205不銹鋼換熱管束失效多集中在U形彎區域,裂紋多呈現環向開裂特征。 

（2）殘余應力測試結果表明,管束U形彎表面存在殘余拉應力,最大值達262 MPa。 

（3）斷口形貌及應力腐蝕試驗結果表明,管束開裂為氯化物應力腐蝕開裂,主要與管束服役過程中的高溫、結鹽、氧相關。

文章來源——材料與測試網