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不銹鋼波紋管換熱器的腐蝕與防護點擊：1793 日期：[ 2014-04-26 22:44:51 ] |
| 胡 彬(河南石油勘察設計研究院,河南南陽 473132) 不銹鋼波紋管換熱器是近年來我國研制的高效新型換熱設備,與傳統列管式換熱器相比具有傳熱系數高,不易結垢,設備重量輕等優點,目前,已大量替代普通列管式換熱器,成為供熱、供水等場合的首選產品,并已開始在石油開采與輸送、石油煉制、化工、制藥等行業使用。由于以上行業所涉及介質多含有腐蝕性物質,加之不銹鋼波紋管換熱器采用的是變截面的薄壁換熱元件,所以研究其腐蝕與防護,對于指導安全生產,減少不必要的損失能起到很重要的作用。 1 不銹鋼波紋管應力腐蝕現象分析 西北某油田采油集輸站,1995年選用了兩臺波紋管式換熱器。殼體用16ＭｎＲ鋼板及鍛件,換熱管用1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ不銹鋼制作,設計殼程為蒸汽,管程為原油。1996年下半年開始運行,首先儲油罐發現冒蒸汽,經分析是換熱器汽相與原油相混所致。1997年初將換熱器停止使用,經檢測,部分換熱管出現裂紋,破裂部位大部分在波峰處以及波峰與波節的根部處,換熱管破裂部位均無漲粗、拉薄等塑性變形特征。裂紋既有主干,也有明顯的分叉現象,某些裂紋呈環狀或網狀。從圖1所示的裂紋微觀形貌上可以看出,裂紋為穿晶型裂紋,從上述換熱管破裂的特征可以看出,這些換熱管的破裂為典型的應力腐蝕破裂。 2 不銹鋼波紋管應力腐蝕機理分析 2.1 應力腐蝕破裂的成因 眾所周知,不銹鋼產生應力腐蝕破裂的基本條件是敏感的合金(材料因素)、特定的介質(環境因素),如奧氏體不銹鋼在含氯化物的溶液中使用;一定的拉伸應力(力學,。。因素),包括外加應力,相變應力和殘余應力等。如具備這3個基本條件,即有可能產生不銹鋼的應力腐蝕破壞。在發生應力腐蝕破裂時,并不發生明顯的均勻腐蝕,甚至腐蝕產物極少,有時肉眼也很難發現,因此應力腐蝕是一種非常危險的破壞。應力腐蝕過程一般可分為3個階段:第一階段為孕育期,在這一階段內,因腐蝕過程的局部化和拉應力作用的結果,使裂紋生核,即在不銹鋼的腐蝕敏感部位優先形成微小凹坑;第二階段為腐蝕裂紋發展時期,當裂紋生核后,在腐蝕介質和金屬中拉應力的共同作用下,裂紋擴展,導致零件的破壞產生細長的裂縫;第三階段中,由于拉應力的局部集中,裂紋急劇生長,裂縫擴展很快,能在短時間內發生嚴重的破壞。 2.2 影響應力腐蝕的因素 不銹鋼的應力腐蝕開裂與介質的特性、溫度的高低以及應力的大小有關,同時還與鋼的成分和組織結構的特點有關。下面介紹這些因素的影響情況。 2.2.1 氯離子濃度的影響一般來說,隨氯化物濃度的增加,Ｃｒ-Ｎｉ不銹鋼的應力腐蝕開裂所需的時間縮短,如圖2所示。一般認為ＭｇＣｌ2最易引起應力腐蝕破裂,不同氯化物的腐蝕作用,是按Ｍｇ2+、Ｆｅ3+、Ｃａ2+、Ｎａ+、Ｌｉ+等離子的順序遞減的。 2.2.2 介質溫度的影響 一般認為溫度升高,易發生應力腐蝕,但溫度過高,由于全面腐蝕卻控制了應力腐蝕。某些鋼種還存在一個臨界斷裂溫度,據統計,Ｃｒ-Ｎｉ奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕的溫度范圍在50℃～300℃之間。 2.2.3 合金元素及應力的影響 從圖3和圖4可以看出,鋼中合金元素鎳、硅的增加,能提高奧氏體不銹鋼在ＭｇＣｌ2溶液中抗應力腐蝕破裂性能,而鋼中的氮、磷等元素會降低不銹鋼在濃氯化物介質中的耐應力腐蝕破裂性能。 另外,應力腐蝕破裂還發生在一定的電位范圍內一般發生在活化-鈍化的過渡區電位范圍,亦即在鈍化膜不完整的電位范圍內。而溫度對所發生應力腐蝕破裂的速度又有明顯影響,溫度升高可大大加快應力腐蝕破裂的速度。波紋管換熱器所用波紋管的波峰是通過彈性元件內部膨脹使管子產生塑性變形的方法獲得的。根據彈性力學的分析方法可知,當波峰形成后卸去彈性元件所加的膨脹力時,就會在塑性變形了的管壁上產生外拉內壓的殘余應力,且塑性變形量越大,其殘余應力也越大波峰部位的塑性變形量最大,故殘余應力也最大。工作時波節管的最大拉應力為波節根部的周向應力。對于換熱器來說,管程、殼程存在有溫差,換熱管內外溫度不同,要承受溫差載荷。前文所提案例,經過對管內輸送不介質原油的主要腐蝕成分加以分析,其結果如下:Ｃｌ-含量:0.92%,遠大于25ｐｐｍ;Ｓ含量:1.35%,氯離子及硫含量超標是應力腐蝕的起因。 3 不銹鋼波紋管換熱器應力腐蝕的防止 如前所述,應力腐蝕是材料的破裂敏感性、應力和介質腐蝕性三要素同時作用時發生的現象,如果此三要素缺少一個也不會產生破裂。因此,不銹鋼的應力腐蝕防止對策,應從以下幾個方面加以考慮: (1) 鋼種的選擇通過合金化提高奧氏體不銹鋼耐應力腐蝕性能,其主要途徑是:提高含鎳量,加入高量硅,控制磷、氮等雜質含量,加入少量能和碳或氮很好起反應的合金元素如鋁、鈦,從而使不銹鋼表現出良好的抗腐蝕破裂能力。目前常用的品種有1Ｃｒ18Ｎｉ9(302)、0Ｃｒ18Ｎｉ9(304)、1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ、00Ｃｒ19Ｎｉ11(304Ｌ)、0Ｃｒ18Ｎｉ12Ｍｏ2Ｔｉ、00Ｃｒ17Ｎｉ14Ｍｏ2(316Ｌ)以及00Ｃｒ18Ｎｉ14Ｍｏ2Ｃｕ2等。 (2) 消除應力加工成形后,最好是進行消除應力退火,奧氏體不銹鋼一般在1100℃左右較窄的溫度范圍固溶處理后交貨,也可進行噴丸處理等操作,使表面產生壓應力,只要這層壓縮層是連續的,保持完整,未受均勻腐蝕破壞,就可以有效地避免產生應力腐蝕。 (3) 降低介質中的ＣＬ-含量ＧＢ150-1998《鋼制壓力容器》中要求氯離子含量不超過25ｍｇ/Ｌ?？刂平橘|中氯離子含量不超過25ｍｇ/Ｌ能有效的減少應力腐蝕的產生。 (4)電化學保護應力腐蝕是與材料—環境的電化學反應密切相關的,所以,可以利用電化學的方法:一是給定電位,使其金屬運行狀態的電位離開應力腐蝕敏感區;另一方法是加入適當的緩蝕劑,也可使它的開路電位移到應力腐蝕的不敏感區,以防應力腐蝕破裂的發生。 |
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