某公司合成氨項目投產使用的末端冷卻器，運行一年后出現換熱管斷裂現象。通過力學性能檢驗、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡與能譜分析等方法，對換熱管斷裂失效原因進行了分析。結果表明，殼程介質循環水在使用過程中出現氯離子濃縮，同時換熱管在應力作用下，從外壁向內發生應力腐蝕開裂，最終導致換熱管斷裂失效。

U形管式換熱器由于其結構簡單、易于制造等特點被廣泛應用于各種化工裝置中。近年來不銹鋼U形換熱管因應力腐蝕斷裂現象屢有發生。文獻中的某煉油廠加氫裝置中使用的循環冷卻器，由于其U形管彎管部分在冷彎后未進行消應力處理，存在較大的殘余應力。在濕H 2 S腐蝕環境下致使0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼換熱管在彎管處發生應力腐蝕斷裂。本文介紹的某化工廠合成氨生產系統中的末端冷卻器運行一年后停車（非故障原因）檢修，清洗設備后進行檢查未發現泄漏等問題。再次開車使用三周后出現設備泄漏現象，隨即二次停車，在現場抽出管束，可見3根換熱管斷裂，查出多根換熱管泄漏，斷裂位置集中在換熱器上方管板背面靠殼程側，目前該設備已停止使用。本文對斷裂的冷卻器換熱管進行宏觀形貌分析、化學成分分析、力學性能檢驗、金相組織分析及斷口的掃描電鏡與能譜分析，從而研究換熱管斷裂失效的具體原因。

該末端冷卻器殼程介質為循環水，管程介質為高壓空氣，設備結構見圖1。殼程循環水是下進上出，設計溫度80℃，其中進口工作溫度28℃，出口工作溫度38℃；管程高壓空氣是上進下出，設計溫度220℃，其中進口工作溫度182℃，工作壓力7.1MPa，出口工作溫度40℃；該冷卻器換熱管采用φ19×2mm的SA213-TP316L不銹鋼無縫管。

現場將泄漏冷卻器的管束抽出檢查，如圖2所示。目視檢查可見上半部分換熱管表面腐蝕較嚴重，有一層黃色腐蝕物，肉眼可見3根換熱管斷裂，隨即對該管束斷裂的管子及泄漏管進行取樣。

1宏觀形貌分析

取樣管見圖3，其中1#和2#為帶斷口的換熱管，3#和4#為正常換熱管。

由圖3可見1#和2#失效管斷口及斷口附近的鋼管外表面覆蓋有明顯的黃色氧化物，管材外表面存在一定的腐蝕產物。將斷口試樣切下并清洗后斷口試樣宏觀形貌見圖4，黃色銹蝕產物大部分已清洗掉，在斷口附近的鋼管外表面可見較多的腐蝕凹坑。在斷口附近還可觀察到貫穿管壁的其它裂紋。

2化學成分分析

在四個換熱管上分別取樣，進行化學成分分析，化學成分采取光譜分析的方式，具體參考標準GB/T11170-2008，結果見表1所示。ASMESA213 TP316L成分同時列于表中，由結果可見材料各元素滿足標準要求。

3力學性能試驗

分別在三個長度足夠的換熱管上表面無異常處取整管拉伸試樣，檢測結果見表2，ASMESA213 TP316L力學性能同時列于表中，由結果可見材料抗拉強度、塑性延伸強度及斷后伸長率均滿足標準要求。

4金相分析

在1#、2#試樣斷口附近和3#、4#試樣上切取縱向試樣進行金相分析，各試樣晶粒形貌見圖5，組織形貌見圖6。從圖中可以看出材料金相組織為正常奧氏體，晶粒大小均勻，平均晶粒度5.0級，金相組織未見明顯異常。

在1#和2#試樣斷口附近的表面同樣發現由多條起源于外表面的樹枝狀裂紋，有應力腐蝕裂紋特征。

5電鏡與能譜分析

將斷口試樣在掃描電鏡下觀察并用EDS方法檢測腐蝕產物成分，腐蝕產物形貌見圖7，除常規316L不銹鋼元素外，腐蝕產物中包含較多的Cl、Mg、S和P等腐蝕性元素。清洗后的斷口放在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌見圖8。兩斷口斷裂形式類似，均為起源于管外壁沿著管厚度方向延伸擴展，裂紋源不止一處，裂紋在擴展中二次分叉。斷口形貌呈河流花樣，河流花樣呈現不同的臺階，為準解理斷口，屬于穿晶形斷裂。

6分析與討論

經現場取管宏觀檢測結果表明，換熱管斷口呈現一定程度的氧化。同時觀察到斷口處附近有貫穿管壁的其它裂紋存在。換熱管環向開裂主要發生在冷卻器上方管板背面靠殼程側，換熱管外壁有腐蝕特征，換熱管外壁有大量腐蝕產物。通過對取樣換熱管的力學性能檢測和化學成分分析，非金屬夾雜物含量較少，晶粒大小均勻，組織為正常奧氏體。其符合ASME SA213 TP316L的材料要求。

裂紋主要從換熱管外壁向內擴展，在裂紋擴展過程中發生二次裂紋，裂紋尖端尖銳。斷口整體形貌為準解理形貌，具有穿晶特征，少量區域為沿晶斷裂，開裂斷口呈明顯的脆性開裂?？拷鹆言次恢玫耐獠勘砻嬗写罅康母g產物，經能譜分析換熱管外壁和斷口腐蝕產物中均含有Cl元素。對于奧氏體不銹鋼來講，其應力腐蝕的敏感元素是鹵素元素，尤其是Cl離子，其濃度應控制在25ppm以下。

冷卻器的管程介質為高壓空氣，進口（上端）工作壓力7.1MPa。該設備運行一年期間無問題，在停車檢修后二次開車時，大量的高壓空氣管程進口進入，通過管程的斜擋板反射進入冷卻器上方換熱管，使上方的換熱管發生大的振動，對換熱管產生大的沖擊應力、振動應力等附加應力。另外換熱管與管板連接是貼脹+焊接，也會造成應力高度集中。殼程介質循環水在設備一直運行中Cl離子濃縮于換熱管表面，形成易腐蝕環境。從該冷卻器的結構看，其管程的斜擋板直接將高壓空氣反射到上方換熱管內，反復的開停車也會造成換熱管振動而發生疲勞斷裂。

綜上所述，冷卻器上方換熱管在管板背面靠殼程側發生斷裂失效的主要原因為：換熱管在使用時受到沖擊應力、振動應力等附加應力，殼程介質循環水中Cl離子出現濃縮附著于換熱管表面，增加了應力腐蝕的敏感性，導致冷卻器上方換熱管發生腐蝕。在拉應力和腐蝕介質的作用下，從外壁向內發生應力腐蝕開裂，最終致使冷卻器腐蝕泄漏失效。

7結論

（1）該冷卻器材料選用316L奧氏體不銹鋼，在殼程有Cl離子濃縮現象，在附加應力作用下導致殼程上方管板側換熱管外壁發生應力腐蝕開裂從而設備失效。

（2）對于含Cl元素介質工況的設備建議采用雙相不銹鋼取代316L、304L等奧氏體不銹鋼。管殼式換熱器失效與材料、結構、工況及工作介質等多種因素有關，往往是多種因素共同作用的結果。因此在換熱器的設計、選材、制造和使用過程中全面考慮各種影響因素，以防患未然。