双相不锈钢换热管在工程中的应用

1原换热管腐蚀状况

冷却器结构形式为钩圈式浮头换热器，其原材料、设计参数及工艺参数见表1及表2。

1.1腐蚀状态

冷却器A/B从2009年开工投用以来，冷却器A先后在2014年和2015年内漏3次，2015年检修期间对冷却器A的管程进行了更换，运行不到两年因腐蚀严重再次于2017年4月出现内漏，堵管39根；冷却器B先后在2015年和2017年出现2次内漏，堵管23根，特别是在2017年底冷却器B又出现内漏，堵管378根，通过对冷却器A/B换热管束进行涡流检测，检测结果表明换热管束腐蚀减薄非常严重，换热器在检修投用后仍存在短期内出现腐蚀泄漏的风险，且内漏频率会随着换热器运行时间的增加而增加。换热器大量切换检修，给装置的安全平稳运行带来了隐患，且含汽油、氢气、硫化氢等介质泄漏至管程的循环水中，造成循环水系统污染严重，COD严重超标。换热管束外表面宏观腐蚀情况见图1、图2。

1.2腐蚀机理分析

换热管在正常操作工况下承受的是轴向压应力，而不是拉应力，不具备应力腐蚀条件，这一点和现场的检查情况一致，泄漏出现在换热管与管板的焊接接头处。管板与换热管焊接接头受压应力与缝隙腐蚀的影响，会产生应力腐蚀；而冷却器壳程介质中含有H 2 O和H 2 S，在含水含硫的情况下，当操作温度≤120℃时，硫化物未分解，则会遇到难以控制的H 2 S-H 2 O型腐蚀，包括一般腐蚀和各种腐蚀破裂，碳钢换热管已无法满足现在的工况条件浙江不锈钢管厂家。

2冷却器换热管的重新选材

2.1材料的选择

在考虑壳程介质中出现的湿硫化氢腐蚀情况后，奥氏体不锈钢可以代替碳钢满足壳程的腐蚀工况。而2016-2017年的冷却器管程循环水的检测数据显示，循环水中氯离子含量最高值为246.6mg/L，平均值为167.4 mg/L。对于奥氏体不锈钢在氯离子环境下的腐蚀，权威的参考文献均有严格规定，氯离子含量要小于25ppm，否则会发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀。在奥氏体不锈钢无法满足高浓度的氯离子含量的情况下，可以考虑几种合理的方式解决问题：(1)在工艺条件允许的情况下，控制循环水中氯离子的含量；(2)可在工艺条件允许的情况下，加入适当的缓蚀剂；(3)可考虑选用非金属材料或衬里材料；(4)选择合理的其他不锈钢材料。不锈钢材料在含氯离子介质中的适用范围见表3。

本次冷却器改造，从经济性以及材料的抗应力腐蚀开裂能力考虑，选择双相不锈钢换热管S2205解决出现的腐蚀问题。

2.2双相钢焊接要求

在压力容器设计中，不允许存在双相不锈钢与碳钢间的异种金属焊接接头，因此此次改造，管板也要堆焊双相不锈钢。经参考GB/T 151-2014《热交换器》以及相关文献，对双相钢换热管与堆焊双相钢的管板的焊接确定了合理的焊接工艺，主要内容如下：

(1)管板堆焊前以及换热管管子与管板焊接前均应按NB/T 47014-2011进行焊接工艺评定，焊接工艺评定的内容还包括微观断面检查、硬度测定和铁素体含量测定。测定断面应包含焊缝、热影响区和母材。显示结构应是两相平衡结构，无有害的晶粒边界沉淀或二次相存在。铁素体含量应控制在35%~65%范围内。对断面进行10kg维氏硬度试验，试验点应分布于热影响区和熔合区，分别位于该断面内中心线上、距内表面2mm处，最大允许硬度值应为320HV10。

(2)管板双层堆焊焊条选用过渡层焊条：E309MoL和复层焊条E2209。堆焊前管板待堆焊表面应100%磁粉检测，Ⅰ级合格。管板堆焊过渡层前应预热，预热温度由制造厂根据合格焊接工艺评定确定。过渡层堆焊完后，堆焊层表面应进行100%PT检测，Ⅰ级合格。管板过渡层堆焊完成并检验合格，且管板与其它零件组焊（换热管除外）后应进行消除应力热处理，然后堆焊表层并应缓冷；之后进行100%UT、PT检测，Ⅰ级合格。无损检测按NB/T47013.3~5-2015执行。密封面应在堆焊后加工。

(3)对双相钢不锈钢换热管应进行晶间腐蚀敏感性检验和氯离子应力腐蚀裂纹试验，晶间腐蚀检验应按照GB/T 21433-2008《不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验》中的要求执行，检验方法应按照GB/T 4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》中方法E执行，以不产生晶间腐蚀裂纹作为合格指标；氯离子应力腐蚀裂纹试验按YB/T5362-2006《不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法》进行，双相钢换热管所用焊接材料应与双相钢换热管采用同样试验方法。

(4)换热管与管板采用强度焊加贴胀的连接方式。换热管胀平后应按YB/T 5362-2006做氯离子应力腐蚀试验。强度焊完成并经检验合格后在壳程通入0.03~0.05MPa的空气或氮气进行气密性试验，合格后再进行贴胀。

(5)换热管与管板的焊接，均需焊两层，第一层焊后按NB/T 47013.5-2015进行PT检验，Ⅰ级合格，第二层焊后再次进行PT检验，Ⅰ级合格。总之，对于双相不锈钢的焊接，应正确选择焊材、焊接方法、坡口等参数，并兼顾焊接效率，从而保证焊接接头的组织和性能的可靠性。