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1、乙二醛换热器换热管断裂原因分析 王琼琦 ， 王正东 。 涂善东 ( 华东理工大学 承压系统安全科学教育部重点实验室 ， 上海2 0 0 2 3 7 ) 摘要： 对某硫酸厂 乙二醛换热器换热管断裂原 因进行 了分析 ， 表 明换热管的失效是热应力导致 的 热疲劳破坏 ， 氯离子引起的应力腐蚀加速 了换热管的开裂泄漏； 气体分布器结构不合理是导致热应 力的主要原因， 而频繁的开停车加速了换热管的低周疲劳开裂。建议改进结构， 保障膨胀节能够起 到协调 变形， 降低热应力的作用。 关键词： 换热管； 热疲劳； 应力腐蚀 中图分类号 ： T Q 0 5 1 5 文献标识码 ： A 文章编号： 1 o 0
2、 1 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 3 0 o 4 9 0 5 d o i ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 H D 14 8 3 7 2 O 0 9 O 3 01 0 Fr a c t u r e An a l y s i s 0 f Tu b e s 0 f Gl y 0 x a l He a t Ex c h a n g e r W A NG Q i o n gq i ， W A NG Z h e n gd o n g ， T U S h a nt l mg ( K e y L a b o f S a f e t y S c i e n c e o f
3、 P r e s s u r i z e d S y s t e m， MO E， E a s t C h i n a U n i V e r s i t y 0 f S c i e n e e a n d T e c h n 0 l o g y ， S h a n g h a i 2 0 O 2 3 7 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： F a i l uI -e a n a 1 y s i s h a s b e e n c a r r i e d o u t f _0 r t h e f _r a c t ur le 0 f t u b e s 0 f g l
4、y 0 x a l he a t e x c h a n g e r i n a n s u l f lu r i c a c i d p l a n t Th e I _e s u l t s r e v e a l t h a t l a r g e t h e 丌I 1 a l s t I le s s l e a d e d t o t he m 1 a l f a t i g u e a t t r i b u t e d t o u n - r e a s o n a b l e s t r u c t u r e 0 f s t e a m d i s t r i b u t o
5、 r b e e a u s e 0 f f lr e q u e n t s t a r t u p s a n d s h u t d o wn s ，a n d s t r e s s c 0 r r 0 s i o n c r a c k i n g b y c h l o r i d e i 0 n a c c e l e r a t e d c I a c k g I ( 】 w t h I t i s s u g g e s t e d t h a t s t e a m d i s t r i b u t o r s h o u l d b e mo d i n e d t o
6、 e n s u r i n g t h e I 0 l e o f e x p a n s i o n j o i n t Ke y wo r d s ：h e a t e x c h a n g e r t u b e ；t h e 瑚 a l f a t i g u e；s t r e s s c o H _0 s i o n c r a c k i n g 1 概 述 某硫酸厂年生产能力 3万 吨的乙二醛换热器 ， 为国内 自行设计 ， 是 目前世界上最大的乙二醛换 热 器， 其直径达 3 5 0 0 m m 。换热管材质为 3 0 4奥氏体 不锈钢。该换热器的工艺参数为， 乙二醇和氧
7、气预 热至 2 3 6， 通过触媒进行 氧化放热反应转化为 乙 二醛后， 温度升高至5 5 0左右， 进入乙二醛换热器 换热管， 出口温度为2 6 0 。冷却介质为蒸汽， 进 口 温度 1 3 O c c， 出口温度 3 6 6 c c。为提高换热效率 ， 在 换热器内加入气体分布器 ， 通过分布器可使冷却介 质从换热器底部四周进入换热器。由于沿换热管轴 向存在非常大的温差 ， 换热器壳体采用带膨胀节 的 结构 ， 以避免 因温差导致的破坏。从换热器冷却出 来的乙二醛温度仍然不能满足后续工艺的要求 ， 为 此在换热器 出口位置增加喷淋装置 ， 进一步冷却 乙 二醛介质。 该设备 自2 0 0
8、6年 1 0月投入运行后 ， 不 到 2年 的时间出现换热管泄漏堵塞， 期间经历过反复的开 停车。8 月初及后来的停车检查发现出现泄露的换 热管多达 l o 0根以上 ， 失效 的换热管紧靠换热器的 49 乙二醛换热器换热管断裂原因分析 V o 1 2 6 N o 3 2 0 0 9 内壁 ， 断裂的位置全部处于接近下 管板 1 0 0 m m左 右的位置， 裂纹呈周 向分布。该换热器换热管大面 积开裂泄漏严重影 响生产的正 常进行 ， 并导致产品 质量下降。为此， 急需了解换热器泄漏的根本原因， 为换热器的整体改造提供可靠的依据。 2失效分析 2 1 宏观检 查 两根失效换热管的开裂位置见
9、图 1 。图 1中上 面的一根( A管) 除了沿周 向的主裂纹外 ， 在主裂纹 的左侧分布着少量平行的周 向裂纹和与轴向呈 4 5 。 的不连续裂纹 ， 其他部分完好无损。图 l中下面 的 一 根 ( 管 ) 主断 口与轴向呈 4 5 。 ， 在主断 口的左侧 除一条穿透的裂纹外 ， 还分布着大量的表面裂纹 ， 呈 网状分布。B管的网状裂纹分布在主断口左侧大约 4 0 c m的范围， 见图 2 。 图 l 换热管断裂的宏观形貌 图 2 B管 的表 面裂纹形貌 2 2 化学成分与力学性能 在远离失效的位置取样进行化学成分分析和常 规拉伸试验 ， 拉伸试样 为标准管材试样 。测试结果 见表 1 ，
10、 2 。化学成分和力学性能皆符合 3 0 4不锈钢 的技术要求。 表 1 换热管化 学成 分 E D S分析结果 ( Wt ) 元素 C s i Mn C r N i F e 实测值 _ O 5 0 1 8 2 1 9 2 2 8 3 6 7 0 1 l 技术要求 0 0 8 1 0 0 2 0 0 1 71 9 8 1 1 B a l a n c e 抗拉强度 屈服强度 延伸率 断面收缩率 试样 ( M P a ) ( MP a ) 6 ( ) ( ) 1 5 91 3 9 2 56 1 6 8 O 0 0 56 1 3 2 5 6 7 9 4 21 9 O7 76 00 58 38 2 3
11、金相 组 织 2 3 1 基体组织 轴向和周向的金相组织见图 3 。从金相组织上 看 ， 组织为热轧退火 的奥氏体不锈钢组织 ， 周向晶粒 较轴 向的晶粒为细。 金相组织存在一定的退火孪晶， 为正常的组织。 ( a ) 轴 向 ( b ) 周向 图 3 3 0 4不锈钢换热管轴向和周向金相组织 2 3 2 裂纹金相 对于4管的周向裂纹和B管表面的网状裂纹 区域轴 向和周向取样的裂纹金相分别见图 4， 5 。图 4的裂纹形态具有典型 的热疲劳特征 ， 裂纹扩展模 式为混晶。图 5 ( a ) 的周向裂纹形态起裂位置和扩 展初期也具有典型的热疲劳特征 ， 裂纹的扩展和裂 第 2 6卷 第 3期 压
12、 力 容 器 总第 1 9 6期 图 4 A管的周 向裂纹形态 ( a ) 周 向裂纹形态 ( b ) 轴 向裂纹形态 图5 管的裂纹形态 尖具有典型的应力腐蚀开裂形貌。大部分轴向裂纹 形态也具有上述特征 ， 也有少量的裂纹见 图 5 ( b ) ， 为典型的应力腐蚀开裂形貌， 呈枯树枝状 ， 裂纹内存 在一定的腐蚀产物。另外， 裂纹附近的金相组织也 显示为热疲劳的特征 。 2 4断 口分析 将 图 1中A管的穿透性裂纹取样进行断 口形貌 分析， 裂纹起裂位置和扩展区的形貌特征见图 6 9 。从图6可以看出， 裂纹起裂于外表面的缺陷处， 具有多源性 ， 表面高低不平， 局部呈脆性。图7 为裂
13、纹扩展的形貌， 从 中可找到疲劳辉纹， 为准解理断 口 图 6 裂纹起裂位置及断 口低倍形貌 图7 疲劳辉纹 图 8 疲劳辉纹与脊骨状滑移台阶、 二次裂纹 乙二醛换热器换热管断裂原因分析 V o l 2 6 N o 3 2 0 0 9 图 9 挤压 、 擦 伤痕 迹 图 8显示 出与疲劳辉纹相垂直的脊骨状滑移台 阶以及二次裂纹。图9显示断 口经过表面反复挤压 和擦伤。根据疲劳辉纹的宽度及其断 口上呈现的特 征 ， 可以确定失效的换热管为低周疲劳失效 J 。 2 5 腐蚀产物分析 对 A管主断口的 E D S分析结果表明， 断口并不 存在引起应力腐蚀的腐蚀性介质 C 1 ， S等元素， 主要 是
14、 c和 0， 这进一步说 明， A管主断 口为疲劳引起的 断裂 ， 即使存在应力腐蚀 ， 其作用也是次要 的。 对 B管主断口的 E D S分析结果见 图 1 0 。从图 中可以看出， 断 口表面的腐蚀产物除含有基体成分 外 ， 还有 c l ， s和 0等元素 ， 结合金相裂纹形态可 以 确定换热管失效确实与氯离子引起的应力腐蚀有 关 3 讨论 图 1 0 B管主断口腐蚀产物 E D S分析 通过对失效的换热管化学成分 、 力学性能 、 金相 组织 、 裂纹宏观和微观形态 、 断 口形貌和断 口能谱分 析， 表明热疲劳和氯离子导致的应力腐蚀共同作用 下是换热管泄漏失效 的主要原因。下面就交变
15、热应 力的来源、 热疲劳和应力腐蚀在换热管失效过程的 角色进行分析。 3 1 交 变热应 力的 来源 本失效案例 中， 换热器 的管程和壳程设计压力 只有 O 0 6 MP a ， 可以忽略工作压力引起的应力。而 换热管开裂泄漏的原因之一是热疲劳。热疲劳失效 需要交变的热应力存在 ， 并且 为什么 出现泄露 的管 子只是靠近换热器壳体的外 圈部分 ， 从以下方面分 析。 ( 1 )冷却介质分布器 的设计 冷却介质分布器是为了提高换热效果 自行设计 的， 这种设计方法 的出发点没有 问题。但这样的结 构不可避免地引进 了热应力问题。在正常工作条件 下 ， 换热器外圈的管子中下部位 的温度 比中间
16、部位 的管子低 。在假定膨胀节起作用的条件下 ， 膨胀节 只能协调所有换热管均匀膨胀引起 的变形 ， 而对 中 间管子和外圈管子存 在的温差产生 的变 形无 能为 力， 最终协调变形 的结果是外 圈管子整体受 到较大 的拉伸应力， 而中问管子受到一定的压缩应力 ， 这就 是热应力的来源， 对 于外圈管子无论是开工还是停 车都会产生很大的交变拉伸应力 ， 另外冷却介质流 量 、 流速的变化都是热应力产生 的来源。高的拉伸 平均应力和交变应力 的存 在导致 了换热管过早失 效 。 ( 2 )喷淋装置设计 经过换热器冷却的乙二醛介质还需要进一步冷 却才能达到工艺的需要 ， 因此增设 了喷淋装置 ，
17、由于 上述冷却介质分布器的结构导致从外圈管子出来 的 介质较冷 ， 而中间管子出来 的介质温度较高， 喷淋装 置和换热管的结构正好在外 圈形成死角 ， 加上 喷淋 水的温度较低 ， 喷淋水 的汽化和飞溅等 因素使得在 外圈换热管下部经受较大的交变热应力而且容易产 生结焦现象 ， 这也可 以从 现场换热器结焦情况得到 验证( 见图 1 1 ) 。 图 l 1 外圈换热管存在结焦现象 第 2 6卷第 3期 压 力 容 器 总第 1 9 6期 ( 3 )操作历程 结构设计 的不合理使得频繁的开停车成为最大 交变热应力的来源 ， 由于换热器换 热管在轴 向存在 超过 3 0 0 。 ( 外圈管子 )
18、的温度梯度 ， 开停车导致的急 冷和急热使得外圈管子承受非常大的热应力， 最终 导致低周疲劳失效。根据操作记录 ， 在失效之前大 约经历了近2 O O 余次的开停车。因此， 频繁的开停 车是导致换热管热疲劳失效 的重要原因之一 。 3 2 低周疲劳的特征 热或其他应力引起的低周疲劳常出现在燃气轮 机轮盘和涡轮叶片 、 汽轮机的某些高温部件 ， 压力容 器 以及带有各种 内外 因角 、 缺 口、 键槽等。但对低周 疲劳的研究还不是很充分 ， 但热应力引起 的低周疲 劳除具有热疲劳 的特征外 ， 也具备一般低周疲 劳的 断口特征。一般的低周疲劳在不同疲劳寿命下断口 呈现出准解理、 涟波花样 、 平
19、坦面 、 擦伤痕迹 、 轮胎花 样 、 脊骨状花样 、 疲劳 辉纹等不 同的特征 J 。鱼骨 状花样是低周疲劳和应力腐蚀特征 ， 但两 者有 明显 的差别， 应力腐蚀开裂断口的鱼骨状花样多数发生 在体心立方金属材料( 如碳钢和马氏体不锈钢) 中， 其中间脊线是 由 1 0 0 1 0 0 解理 造成 的 ， 两侧 是 1 0 0 1 1 0 和 1 2 0 1 1 0 解理所引起 的花样 。而 低周疲劳断口的鱼骨状花样不像应力腐蚀断口的鱼 骨状花样那样平直 ， 呈放射状 ， 断 口表面非常平坦 ， 这是由于低周疲劳断 口的鱼骨状花样是在疲劳纹形 成后 ， 裂纹面两侧有规则地反复张合相对面上的棱
20、 角或硬的夹杂物使断面擦伤形成的塑性台阶。脊骨 花样是低周疲劳加载下断裂的主要微观 特征标志 。 结合断口的其它特征， 可以说明脊骨花样是低周疲 劳引起的， 而不是应力腐蚀导致 的。 3 3 应力腐蚀在换热管失效过程的角色 换热管的部分裂纹金相呈典型应力腐蚀形貌， 这种形貌在热疲劳失效 的裂纹形貌是不存在 ， 断 口 能谱分析的结果也表明存在引起应力腐蚀的腐蚀性 氯离子 ， 加上热应力和合适的温度 ， 说 明氯离子引起 的应力腐蚀是客 观存在 的。关 键 问题是 在本案例 中， 应力腐蚀是否是导致失效的关键因素。这需要 从以下两个方面分析 ： ( 1 )裂纹的宏观特征和主断 口特征 前面的分析
21、表明 管 主断 口上并 没有发现氯 离子的存在， 而且整个断 口的主要特征是热疲劳。 由于主断 口是最先萌生裂纹的位置， 在主断 口附近 ， 热疲劳的平行微裂纹非 常清晰， 而且 部分裂纹 的起 裂位置的特征是热疲劳 ， 扩展一定深度后才呈现出 应力腐蚀形貌。因此可 以判断在外表面的缺陷处 ， 交变的热应力引发疲劳裂纹后 ， 蒸汽介质 中少量的 氯离子进入裂纹尖端， 引发了应力腐蚀， 加速了换热 管的失效。不可否认的是， 确实存在单独因氯离子 导致的应力腐蚀裂纹 ， 但 由于这些裂纹并没有穿透 ， 但也是较高的热应力引起的。 ( 2 )环境因素 根据企业提供的检测信息 ， 乙二醛介质不含氯 离
22、子， 而蒸汽介质中氯离子的含量低于 1 p p m， 这说 明在应力不高的情况下， 产生应力腐蚀的可能性较 小( 尽管温度适宜) ， 其他未改造的换热器使用了多 年也没有出现类似 的问题。因此可以说 明较高的热 应力的存在是单独 因氯离子导致 的应力腐蚀裂纹的 根本原因， 而较高热应力往往是交变的。因此， 应力 腐蚀裂纹的出现并不是换热管失效的根本原因， 但 热疲劳和应力腐蚀裂纹应力腐蚀的交互作用加速了 换热管的失效。 4结语 换热管的失效是热应力导致 的热疲劳破坏 ， 氯 离子引起的应力腐蚀加速了换热管的开裂泄漏 ； 气 体分布器结构不合理是导致热应力的主要原因， 而 频繁的开停车加速了换热
23、管的低周疲劳开裂。建议 改进结构 ， 保障膨胀节能够起到协调变形 ， 降低热应 力的作 用。 参考 文献 ： 1 平修二日 热就力与热疲劳 M 北京 ： 国防工业 出版社 ， 1 9 8 4 2 D u y i Y e ， s a b u m Ma t s u o k a ， N o b u m N a g a s h i ma ， N a o y u k i s u z u k i T h e L0 w c y c e 1 F a t i g u e ， De f 0 H n a t i o n a n d F i n a l F r a c t u r e B e h a v i o u
24、r 0 f a n Au s t e n i t i c S t a i n l e s s S t e e 1 Ma t e r i a l s s c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A J 2 0 0 6 ， 4 1 5 ： 1 O 4 1 l 7 3 上海交通大学 金属断口分析 编写组 金属断口分析 M 北京： 国防工业出版社 ， 1 9 7 9 收 稿 日期 ： 2 0 o 90 21 1 作者简介： 王琼琦( 1 9 7 4一) ， 男 ， 华东理工大学在读博士， 主 要从事深冷处理、 失效分析和实验室技术研究， 通讯地址： 2 0 o 2 3 7上海市梅陇路 1 3 0号， 华东理工大学机械与动力工程 学院实验 1 7 楼 1 0 1 室。