我國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),但是由于腐蝕問題換熱管束頻繁失效,造成嚴重損失[1-3]。重沸器換熱管束失效案例屢見不鮮[4-10],失效原因包含多個因素,如材料質(zhì)量、制造過程、服役介質(zhì)、管束震動、氣蝕等。
該失效重沸器于2014年服役,2019年管束開裂失效,運行期間重沸器一備一用,因此其總共服役時間為2.5 a。該重沸器為U形管式釜氏重沸器,管程設計壓力為1.18 MPa,設計溫度為300 ℃,管程介質(zhì)為導熱油,導熱油進出口設計溫度分別為280 ℃和220 ℃。運行期間,殼程凝析油進口溫度約50 ℃,凝析油出口溫度約75 ℃,殼程運行壓力約0.18 MPa；管程導熱油進出口溫度分別約為240 ℃和210 ℃,管程運行壓力約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,對換熱管束進行了宏觀檢查、化學成分和組織檢查、殘余應力測試、斷口分析以及浸泡試驗,探討了管束腐蝕開裂的特征及成因。
1. 理化檢驗與結(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,將所有管束進行拆解、打磨,采用滲透檢測對換熱管束表面的裂紋進行測試。結(jié)果表明,管束的失效形式主要為開裂,共計42根U形換熱管出現(xiàn)裂紋,裂紋數(shù)量達到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管束的最外層。該重沸器管程介質(zhì)為導熱油,并且導熱油的流向比較復雜。導熱油從進口(B區(qū))進入,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)導熱油溫度相對較高,A區(qū)和C區(qū)導熱油溫度相對較低。由圖1(a)可見,高溫區(qū)(B區(qū)和D區(qū))失效U形管數(shù)量相對較多,達到27根,裂紋數(shù)量達到144條；溫度相對較低的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)管束的失效問題更為嚴重。由圖1(b)可以看出,管束表面裂紋數(shù)量最多達到29條。
1.2 化學成分和組織檢測
采用ARL 4460型直讀光譜儀分析直管段和U形彎的化學成分,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明,開裂管束直管段和U形彎的化學成分均符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》標準對2205鋼的要求。
| 試樣或標準 | 質(zhì)量分數(shù)/% | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | N | |
| 直管段 | 0.016 | 0.36 | 1.29 | 0.023 | 0.001 1 | 4.91 | 22.57 | 2.98 | 0.19 |
| U形彎 | 0.018 | 0.39 | 1.28 | 0.022 | 0.001 6 | 4.86 | 22.22 | 2.94 | 0.19 |
| GB/T 20878-2007標準 | ≤0.035 | ≤1.05 | ≤2.04 | ≤0.035 | ≤0.025 | 4.40~6.60 | 21.75~23.25 | 2.90~3.60 | 0.13~0.22 |
采用MEF3A型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對直管段和U形彎進行金相分析,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A0.5、B0.5和D0.5,組織為γ+α,兩相分布均勻,α相體積分數(shù)分別為45.03%和57.99%,無析出相。
1.3 殘余應力測試
依照GB/T 31310-2014《金屬材料殘余應力測定-鉆孔應變法》標準對失效管束進行殘余應力試驗,共測試了3個平行試樣。測試位置如圖3所示,包含直管段和U形彎區(qū)域共計5個點。首先,在應變花上對應的圓孔內(nèi)采用慢速鉆孔儀打孔,孔深為孔徑的1.2倍。然后,通過靜態(tài)電阻應變儀測量釋放的應變值,按式(1)~(2)計算得到相應的殘余應力。
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(1) |
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(2) |
式中：εx和εy分別為環(huán)向和軸向釋放應變,應變數(shù)量級為10-6；σx和σy分別為環(huán)向和軸向殘余應力；A、B為應變釋放系數(shù),單位為MPa-1。
由表2可以看出,盡管開裂后管束局部的殘余應力得到了釋放,但是在開裂區(qū)周圍仍存在較大的殘余拉應力,最大值達到262 MPa,并且不同曲率半徑和不同位置對應的殘余應力分布不均勻。
