炼油厂换热器使用寿命差异分析

炼油厂换热器使用寿命差异分析　

戚　欣　

摘要对使用条件相似而使用年限相差较大的两台换热器腐蚀和开裂现象分析，发现两台换热器使用寿命差异的根本原因。得　

出结论：换热器壳体材料开裂是由于在使用条件下发生应力腐蚀引起；换热器在较短时间内开裂是服役过程中承受压力较大、环境　

恶劣及材料断裂韧性低的综合作用。　

关键词换热器应力腐蚀开裂　１６ＭｎＲ钢　

中图分类号ＴＥ９６５　文献标识码Ｂ　

一、前言　

锦州石化公司蒸馏车间的油换热器开裂泄漏问题较为突　出，其中一台换热器使用寿命仅为６个月，运行时间明显比其他　

换热器短。因此，选两台具有代表性的换热器，对开裂原因及使　

用寿命差异进行研究。两台换热器分别为原油一渣油四次换热　

器（Ａ）和初底一常二中一次换热器（Ｂ），换热器Ａ于１９９３年５　月投入使用，运行时间较长，于２００２年１０月发生容器壳体开　

裂；换热器Ｂ由２００２年４月投用，运行时间相当短，仅使用半　

年，容器壳体就发生开裂。两台换热器材料均为１６ＭｎＲ，壁厚分　

别为１８ｒａｍ和１４ｍｍ，壳程设计压力分别为２．５ＭＰａ和２．８ＭＰａ，　

操作压力分别为０．５　０．７ＭＰａ和２．５～２．８ＭＰａ，壳程设计温度分别　

为２００￣Ｃ和２２０￣Ｃ，操作温度分别为１４０￣Ｃ和２００￣Ｃ，壳程介质分　

别为原油和拔头油。　表１　

两台换热器开裂都相当严重，开　

裂处的裂纹相似，均发生于容器壳体　

或封头的内壁环焊缝上。粗大裂纹的　

取向均垂直于焊缝，即横向裂纹。现　

场探伤显示，卧式容器靠近底部区域　

的裂纹远比顶部区域严重，裂纹大、　深、且多。　

二、测试结果　明显较低。　２．常规力学性能测定　

根据两台换热器壳体裂纹的长度方向均为沿容器轴向方　

向，因此，力学性能试样、冲击韧性试样、断裂韧性试样均采用换　热器壳体的环向取样，测定结果见表２。　

由表２中结果可知，换热器Ａ壳体材料室温性能完全符合　

国家标准。但是换热器Ｂ壳体材料室温性能中的冲击功Ａ　只　

有２４Ｊ，明显低于规定值２７Ｊ。另外，尽管换热器Ａ和Ｂ都是　

１６ＭｎＲ，但是，Ｂ材料的室温ｃｒｂ和ｃｒｓ分别高出Ａ材料１２１ＭＰａ　

和６４ＭＰａ，而延伸率却低了近７％。由此说明，换热器Ｂ的强度　

高出Ａ很多，塑性和冲击韧性明显低于Ａ。又由于Ｂ壳体材料　

中的碳元素明显高于Ａ，从而造成两台换热器的使用差异。而各　

换热器Ａ和Ｂ壳体材料成分分析结果　ｗｔ％　

容器　材料区位　Ｃ　Ｓｉ　Ｍｎ　Ｐ　Ｓ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｃｕ　

母材　０．１６　０．４３　１．５１　０．０１７　０．０１３　＜０．０５　＜０．０５　＜０．０５　Ａ　焊缝　０．０９　０．２７　１．４２　０．０２４　０．０１２　＜０．０５　＜０．０５　＜０．０５　

母材　０．２０　０．４０　１－３８　０．０２７　０．０１９　＜０．０５　＜０．０５　＜０．０５　Ｂ　焊缝　０．０８５　０．４６　１．１８　０．０１８　０．００９　＜０．０５　＜０．０５　＜０．０５　１６ＭｎＲ标准　≤２０　０．２０，０．６０　１．２ｏ／１．６０　≤０．０３５　≤０．０３５　ＧＢ６６５４—８６　

１．化学成分分析　采用化学方法对换热器母材和焊缝的化　

学成分进行分析，结果如表１。　

由表１可以看出，两台换热器壳体钢板　母材和壳体钢板焊缝的化学成分均符合标准　

ＧＢ６６５４—８６的规定要求。但是，换热器Ａ的壳　

体钢板母材中的碳元素与换热器Ｂ相比，却　表２换热器壳体材料常规力学性能室温和操作温度下的测定结果　

容器　壁厚／ｍｍ　实验温度／℃　Ⅱ　ＭＰａ　Ⅱ｜ＭＰａ　６／％　／％　冲击功／（　＿，Ｊ）　

１５　５２３　３４４　３５　７３　１４７　Ａ　１８　１４０　４８３　３１０　２８　７２　

１５　６４１　４０８　２９　７１　２４　Ｂ　１４　２００　６４６　３８３　１８　５４　

老化造成的失效，其次因其是运动部件，很可能会出现机械磨损　

或部件脱落现象。　

（２）不要试图用任何东西清理读数头上的光学器件，尤其是　

有机溶剂，可能会加剧电路板老化并破坏透镜上的镀膜涂料。　（３）维修光栅尺是一项细致的工作，要事先做好一切准备，　

包括技术咨询、元器件的选型配备、维修中的轻拿轻放、避免污　

釜：釜　鳖　蔓尘夔　莲塾一童　染等都要注意，真正称得上是一件细节决定成败的工作。　

Ｗ０７．Ｏ８—１　２　

作者通联：北京二七机车厂有限责任公司资产管理部精修　

室北京市丰台区长辛店杨公庄１号　１０００７２　Ｅ—ｍａｉ１：ｓｍｚ７７８８＠１６３．ｔｏｍ　［编辑利　丈］　

设苗管理与维修２Ｏ０７№８

　囡　维普资讯 http://www.cqvip.com 表３换热器壳体材料室温硬度测定结果　

测定温度／　焊缝区／　热影响区／　近焊缝母　远焊缝母　容器　

℃　ＨＢ　ＨＢ　材区／ＨＢ　材区／ＨＢ　

Ａ　１６．７　１７８　１７７　１６７　

Ｂ　ｌ６．７　１９２　１９６　１８１　２０５　

自操作温度下的材料断裂韧性　的测定结果表明，焊缝区、热　

影响区和远离焊缝母材区Ａ的测定值明显高于Ｂ的测定值。同　

样，室温下换热器Ａ壳体材料母材的断裂韧性Ｋ。　值比换热器　

Ｂ的值高出了７６ＭＰａｍ　。换热器Ｂ材料的Ｋ。　值仅为换热器Ａ　

的６５％。　３．换热器壳体材料的硬度测定　

可以看到，换热器Ａ壳体材料的硬度处于较低的状态，而　

Ｂ材料远离焊缝母材　区的硬度值不仅高出　

近焊缝母材区的硬度　

值较多，甚至还高出　

了其焊缝区和热影响　

区的硬度值，从而表　明换热器Ｂ壳体材　

料处于较高强度水　

平。　４．金相组织的检　

查　

从换热器Ａ和Ｂ　壳体上制备裂纹横截　

面金相试样，观察裂　

纹沿换热器壳体纵深　

方向发展状况，结果　

如图１、２、３所示。　裂纹明显具有共　

同的特征：裂纹均从　

换热器壳体内壁表面　

开始向外壁表面扩　

展；裂纹起始部位金　

属未见塑性变形；裂　纹宽度较窄，向纵深　

扩展较深，许多裂纹　

已穿透了换热器壳体　

焊缝区的壁厚；裂纹　

分为主干和分枝，主　

干裂纹的扩展方向既垂　

直于换热器的壳体表　

面，又垂直于换热器壳　

体运行时所受外力的最　

大主应力方向；裂纹主　

要是沿材料的晶粒边界　

扩展，少量区域则呈现　穿品扩展。　图１换热器Ａ裂纹剖面形态　

图２换热器Ｂ裂纹剖面形态　

图３换热器Ｂ局部裂纹走向　

团ｉｐｔｍｍｔ．１￣ｌｌｔ　２００７№８　５．裂纹断口的检查与分析　

首先对断口的原始表面进行了观察和分析，可以看到断口　表面被一层较厚的腐蚀产物所覆盖，而未穿透裂纹深部的断口　

微观形态，表面亦呈现出较厚腐蚀产物，其中多为朽木状或结晶　

状物质。能谱分析表明，其中主要含有碳、硫、钠和硅等元素。断　

口附近金属未见明显塑性变形，呈脆性开裂特征。裂纹的扩展方　

向为垂直于焊缝的方向。　６．换热器壳程介质中的有害成分分析　

为了查明换热器Ａ和Ｂ出现严重开裂的介质因素，从两台　

换热器中抽取各自壳体的试样，进行化学分析。换热器Ａ和Ｂ　

壳程介质中查出的各种金属元素含量均不高，属于低酸值，而对　

换热器壳体材料能产生腐蚀和应力腐蚀的盐酸根、硫酸根和硝　

酸根离子都由于含量过低而不足以造成大的影响。介质中的水　

分含量较低，其值明显低于换热器中介质的实际含水量。硫含量　

较高，而且介质温度随着热交换过程的不断升高，进而促使硫化　

氢的析出量不断增加，因而导致腐蚀的加重。　

三、结果分析　

１．材料方面　在换热器Ａ和Ｂ壳体的材料成分上，大部分元素含量均符　

合国家标准对１６ＭｎＲ材料的规定要求，虽然换热器Ｂ的焊缝　

中锰元素略低于标准规定，换热器Ａ的壳体钢板母材中的碳元　

素与换热器Ｂ相比，却低得较明显。在材料性能上，换热器Ｂ壳　

体的Ｖ形缺口试样冲击功不满足标准规定的２７Ｊ，断裂强度、屈　服强度、延伸率也有明显差异，因此，可以说材料的因素构成了　

使用寿命差异的主要原因。　

２．环境介质方面　换热器Ａ和Ｂ的壳程中介质分别为原油和拔头油，Ｂ壳体　内介质中所含杂质的腐蚀性应明显低于Ａ壳体内介质。然而，　

当换热器Ｂ壳体内拔头油介质通过换热器进一步加热到２００％　

时，这时拔头油中的硫化物发生的分解反应更加剧烈，生成更多　

的硫化氢。因此，使用环境以及操作条件的因素也是构成使用寿　

命差异的另一个主要原因。　

关于Ｈ２ｓ应力腐蚀开裂的机理的观点目前基本有两种：一　

种观点是硫化氢电化学腐蚀过程；另一种观点是硫化氢导致氢　

损伤过程。但就换热器Ａ和Ｂ壳体开裂所表现出来的诸多现　

象，可以说，几乎全与硫化氢电化学腐蚀过程的破坏特点相符　

合，正是属于硫化物应力开裂类型的一种开裂（俗称硫化氢应力　

腐蚀开裂）。　

四、结论　１．换热器Ａ和Ｂ壳体材料开裂是由于在使用条件下发生应　

力腐蚀开裂引起。　、　

２．换热器Ｂ在半年时间内开裂是由于在服役过程中承受压　

力较大、环境更恶劣及材料的断裂韧性低的综合作用造成的。　

Ｗ０７．０８－１　３　

作者通联：锦州石化公司设备研究院　辽宁锦州市　

１２１ｏ０１　

Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｌ一７７１４＠１２６．ｃｏｍ　［编辑利文］　

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