我國(guó)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(wěn)定塔塔底重沸器是凝析油處理工藝中的重要環(huán)節(jié),但是由于腐蝕問(wèn)題換熱管束頻繁失效,造成嚴(yán)重?fù)p失[1-3]。重沸器換熱管束失效案例屢見(jiàn)不鮮[4-10],失效原因包含多個(gè)因素,如材料質(zhì)量、制造過(guò)程、服役介質(zhì)、管束震動(dòng)、氣蝕等。

該失效重沸器于2014年服役,2019年管束開裂失效,運(yùn)行期間重沸器一備一用,因此其總共服役時(shí)間為2.5 a。該重沸器為U形管式釜氏重沸器,管程設(shè)計(jì)壓力為1.18 MPa,設(shè)計(jì)溫度為300 ℃,管程介質(zhì)為導(dǎo)熱油,導(dǎo)熱油進(jìn)出口設(shè)計(jì)溫度分別為280 ℃和220 ℃。運(yùn)行期間,殼程凝析油進(jìn)口溫度約50 ℃,凝析油出口溫度約75 ℃,殼程運(yùn)行壓力約0.18 MPa；管程導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度分別約為240 ℃和210 ℃,管程運(yùn)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(duì)換熱管束進(jìn)行了宏觀檢查、化學(xué)成分和組織檢查、殘余應(yīng)力測(cè)試、斷口分析以及浸泡試驗(yàn),探討了管束腐蝕開裂的特征及成因。

1. 理化檢驗(yàn)與結(jié)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(jìn)行拆解、打磨,采用滲透檢測(cè)對(duì)換熱管束表面的裂紋進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,管束的失效形式主要為開裂,共計(jì)42根U形換熱管出現(xiàn)裂紋,裂紋數(shù)量達(dá)到203條,裂紋分布及典型形貌如圖1所示。另外,出現(xiàn)開裂的換熱管位于整個(gè)管束的最外層。該重沸器管程介質(zhì)為導(dǎo)熱油,并且導(dǎo)熱油的流向比較復(fù)雜。導(dǎo)熱油從進(jìn)口(B區(qū))進(jìn)入,經(jīng)U形管束后從D區(qū)流出,再經(jīng)重沸器封頭流入C區(qū),最后從A區(qū)流出。其中B區(qū)和D區(qū)的U形管束內(nèi)導(dǎo)熱油溫度相對(duì)較高,A區(qū)和C區(qū)導(dǎo)熱油溫度相對(duì)較低。由圖1(a)可見(jiàn),高溫區(qū)(B區(qū)和D區(qū))失效U形管數(shù)量相對(duì)較多,達(dá)到27根,裂紋數(shù)量達(dá)到144條；溫度相對(duì)較低的A區(qū)和C區(qū)同樣出現(xiàn)裂紋,失效管數(shù)量為15根,裂紋數(shù)量為59條。相比較而言,高溫區(qū)管束的失效問(wèn)題更為嚴(yán)重。由圖1(b)可以看出,管束表面裂紋數(shù)量最多達(dá)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(xué)成分和組織檢測(cè)

采用ARL 4460型直讀光譜儀分析直管段和U形彎的化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明,開裂管束直管段和U形彎的化學(xué)成分均符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2205鋼的要求。

采用MEF3A型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對(duì)直管段和U形彎進(jìn)行金相分析,結(jié)果如圖2所示。結(jié)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A(chǔ)0.5、B0.5和D0.5,組織為γ+α,兩相分布均勻,α相體積分?jǐn)?shù)分別為45.03%和57.99%,無(wú)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(yīng)力測(cè)試

依照GB/T 31310-2014《金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定-鉆孔應(yīng)變法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效管束進(jìn)行殘余應(yīng)力試驗(yàn),共測(cè)試了3個(gè)平行試樣。測(cè)試位置如圖3所示,包含直管段和U形彎區(qū)域共計(jì)5個(gè)點(diǎn)。首先,在應(yīng)變花上對(duì)應(yīng)的圓孔內(nèi)采用慢速鉆孔儀打孔,孔深為孔徑的1.2倍。然后,通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量釋放的應(yīng)變值,按式(1)~(2)計(jì)算得到相應(yīng)的殘余應(yīng)力。

式中：εx和εy分別為環(huán)向和軸向釋放應(yīng)變,應(yīng)變數(shù)量級(jí)為10-6；σx和σy分別為環(huán)向和軸向殘余應(yīng)力；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù),單位為MPa-1。

圖 3 失效管束殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)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(yīng)力得到了釋放,但是在開裂區(qū)周圍仍存在較大的殘余拉應(yīng)力,最大值達(dá)到262 MPa,并且不同曲率半徑和不同位置對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力分布不均勻。