本文結(jié)合某加氫裝置冷卻器管程腐蝕泄漏嚴(yán)重的工程實(shí)況，對其腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析與研究，并重新選擇換熱管材料，使用雙相不銹鋼來滿足現(xiàn)在的工況。文章重點(diǎn)介紹了雙相鋼換熱管的材料選擇和焊接工藝。
雙相不銹鋼是由奧氏體和鐵素體兩種金相組織組成的中合金型不銹鋼，其中鐵素體與奧氏體各約占50%，一般較少相的含量最少也要達(dá)到30%的不銹鋼。由于雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均有顯著提高，同時(shí)還保持著鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高、具有超塑性等特點(diǎn)。雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。這些性能特點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用，尤其在石化行業(yè)，應(yīng)用于氯化物、硫化物等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)存在的環(huán)境中，雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。本文對某加氫裝置冷卻器在使用過程中頻繁出現(xiàn)換熱管局部腐蝕內(nèi)漏問題進(jìn)了詳細(xì)的研究，并重新選擇雙相不銹鋼管替換?？蔀楣こ讨懈侠淼厥褂秒p相不銹鋼換熱管提供一些幫助。
1原換熱管腐蝕狀況
冷卻器結(jié)構(gòu)形式為鉤圈式浮頭換熱器，其原材料、設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝參數(shù)見表1及表2。
1.1腐蝕狀態(tài)
冷卻器A/B從2009年開工投用以來，冷卻器A先后在2014年和2015年內(nèi)漏3次，2015年檢修期間對冷卻器A的管程進(jìn)行了更換，運(yùn)行不到兩年因腐蝕嚴(yán)重再次于2017年4月出現(xiàn)內(nèi)漏，堵管39根；冷卻器B先后在2015年和2017年出現(xiàn)2次內(nèi)漏，堵管23根，特別是在2017年底冷卻器B又出現(xiàn)內(nèi)漏，堵管378根，通過對冷卻器A/B換熱管束進(jìn)行渦流檢測，檢測結(jié)果表明換熱管束腐蝕減薄非常嚴(yán)重，換熱器在檢修投用后仍存在短期內(nèi)出現(xiàn)腐蝕泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，且內(nèi)漏頻率會(huì)隨著換熱器運(yùn)行時(shí)間的增加而增加。換熱器大量切換檢修，給裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來了隱患，且含汽油、氫氣、硫化氫等介質(zhì)泄漏至管程的循環(huán)水中，造成循環(huán)水系統(tǒng)污染嚴(yán)重，COD嚴(yán)重超標(biāo)。換熱管束外表面宏觀腐蝕情況見圖1、圖2。
1.2腐蝕機(jī)理分析
換熱管在正常操作工況下承受的是軸向壓應(yīng)力，而不是拉應(yīng)力，不具備應(yīng)力腐蝕條件，這一點(diǎn)和現(xiàn)場的檢查情況一致，泄漏出現(xiàn)在換熱管與管板的焊接接頭處。管板與換熱管焊接接頭受壓應(yīng)力與縫隙腐蝕的影響，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；而冷卻器殼程介質(zhì)中含有H 2 O和H 2 S，在含水含硫的情況下，當(dāng)操作溫度≤120℃時(shí)，硫化物未分解，則會(huì)遇到難以控制的H 2 S-H 2 O型腐蝕，包括一般腐蝕和各種腐蝕破裂，碳鋼換熱管已無法滿足現(xiàn)在的工況條件。
2冷卻器換熱管的重新選材
2.1材料的選擇
在考慮殼程介質(zhì)中出現(xiàn)的濕硫化氫腐蝕情況后，奧氏體不銹鋼可以代替碳鋼滿足殼程的腐蝕工況。而2016-2017年的冷卻器管程循環(huán)水的檢測數(shù)據(jù)顯示，循環(huán)水中氯離子含量最高值為246.6mg/L，平均值為167.4 mg/L。對于奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下的腐蝕，權(quán)威的參考文獻(xiàn)均有嚴(yán)格規(guī)定，氯離子含量要小于25ppm，否則會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。在奧氏體不銹鋼無法滿足高濃度的氯離子含量的情況下，可以考慮幾種合理的方式解決問題：(1)在工藝條件允許的情況下，控制循環(huán)水中氯離子的含量；(2)可在工藝條件允許的情況下，加入適當(dāng)?shù)木徫g劑；(3)可考慮選用非金屬材料或襯里材料；(4)選擇合理的其他不銹鋼材料。不銹鋼材料在含氯離子介質(zhì)中的適用范圍見表3。
本次冷卻器改造，從經(jīng)濟(jì)性以及材料的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力考慮，選擇雙相不銹鋼換熱管S2205解決出現(xiàn)的腐蝕問題。
2.2雙相鋼焊接要求
在壓力容器設(shè)計(jì)中，不允許存在雙相不銹鋼與碳鋼間的異種金屬焊接接頭，因此此次改造，管板也要堆焊雙相不銹鋼。經(jīng)參考GB/T 151-2014《熱交換器》以及相關(guān)文獻(xiàn)，對雙相鋼換熱管與堆焊雙相鋼的管板的焊接確定了合理的焊接工藝，主要內(nèi)容如下：
(1)管板堆焊前以及換熱管管子與管板焊接前均應(yīng)按NB/T 47014-2011進(jìn)行焊接工藝評定，焊接工藝評定的內(nèi)容還包括微觀斷面檢查、硬度測定和鐵素體含量測定。測定斷面應(yīng)包含焊縫、熱影響區(qū)和母材。顯示結(jié)構(gòu)應(yīng)是兩相平衡結(jié)構(gòu)，無有害的晶粒邊界沉淀或二次相存在。鐵素體含量應(yīng)控制在35%~65%范圍內(nèi)。對斷面進(jìn)行10kg維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)分布于熱影響區(qū)和熔合區(qū)，分別位于該斷面內(nèi)中心線上、距內(nèi)表面2mm處，最大允許硬度值應(yīng)為320HV10。
(2)管板雙層堆焊焊條選用過渡層焊條：E309MoL和復(fù)層焊條E2209。堆焊前管板待堆焊表面應(yīng)100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。管板堆焊過渡層前應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度由制造廠根據(jù)合格焊接工藝評定確定。過渡層堆焊完后，堆焊層表面應(yīng)進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格。管板過渡層堆焊完成并檢驗(yàn)合格，且管板與其它零件組焊（換熱管除外）后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，然后堆焊表層并應(yīng)緩冷；之后進(jìn)行100%UT、PT檢測，Ⅰ級合格。無損檢測按NB/T47013.3~5-2015執(zhí)行。密封面應(yīng)在堆焊后加工。
(3)對雙相鋼不銹鋼換熱管應(yīng)進(jìn)行晶間腐蝕敏感性檢驗(yàn)和氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋試驗(yàn)，晶間腐蝕檢驗(yàn)應(yīng)按照GB/T 21433-2008《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗(yàn)》中的要求執(zhí)行，檢驗(yàn)方法應(yīng)按照GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中方法E執(zhí)行，以不產(chǎn)生晶間腐蝕裂紋作為合格指標(biāo)；氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋試驗(yàn)按YB/T5362-2006《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行，雙相鋼換熱管所用焊接材料應(yīng)與雙相鋼換熱管采用同樣試驗(yàn)方法。
(4)換熱管與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接方式。換熱管脹平后應(yīng)按YB/T 5362-2006做氯離子應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。強(qiáng)度焊完成并經(jīng)檢驗(yàn)合格后在殼程通入0.03~0.05MPa的空氣或氮?dú)膺M(jìn)行氣密性試驗(yàn)，合格后再進(jìn)行貼脹。
(5)換熱管與管板的焊接，均需焊兩層，第一層焊后按NB/T 47013.5-2015進(jìn)行PT檢驗(yàn)，Ⅰ級合格，第二層焊后再次進(jìn)行PT檢驗(yàn)，Ⅰ級合格?？傊?，對于雙相不銹鋼的焊接，應(yīng)正確選擇焊材、焊接方法、坡口等參數(shù)，并兼顧焊接效率，從而保證焊接接頭的組織和性能的可靠性。
3結(jié)語
近年來雙相鋼材料在基礎(chǔ)研究、新材料開發(fā)、制造工藝，以及應(yīng)用實(shí)踐、使用經(jīng)驗(yàn)等方面，國內(nèi)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得更加完善，雙相鋼的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量已與和國外同類產(chǎn)品的水平基本一致，使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，進(jìn)一步推進(jìn)了雙相鋼應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。本文通過對某加氫裝置冷卻器換熱管腐蝕及換材的介紹與研究，為在雙相鋼技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供了一些參考。