某公司合成氨项目投产使用的末端冷却器，运行一年后出现换热管断裂现象。通过力学性能检验、化学成分分析、金相检验、扫描电镜与能谱分析等方法，对换热管断裂失效原因进行了分析。结果表明，壳程介质循环水在使用过程中出现氯离子浓缩，同时换热管在应力作用下，从外壁向内发生应力腐蚀开裂，最终导致换热管断裂失效。

U形管式换热器由于其结构简单、易于制造等特点被广泛应用于各种化工装置中。近年来不锈钢U形换热管因应力腐蚀断裂现象屡有发生。文献中的某炼油厂加氢装置中使用的循环冷却器，由于其U形管弯管部分在冷弯后未进行消应力处理，存在较大的残余应力。在湿H 2 S腐蚀环境下致使0Cr18Ni9奥氏体不锈钢换热管在弯管处发生应力腐蚀断裂。本文介绍的某化工厂合成氨生产系统中的末端冷却器运行一年后停车（非故障原因）检修，清洗设备后进行检查未发现泄漏等问题。再次开车使用三周后出现设备泄漏现象，随即二次停车，在现场抽出管束，可见3根换热管断裂，查出多根换热管泄漏，断裂位置集中在换热器上方管板背面靠壳程侧，目前该设备已停止使用。本文对断裂的冷却器换热管进行宏观形貌分析、化学成分分析、力学性能检验、金相组织分析及断口的扫描电镜与能谱分析，从而研究换热管断裂失效的具体原因。

该末端冷却器壳程介质为循环水，管程介质为高压空气，设备结构见图1。壳程循环水是下进上出，设计温度80℃，其中进口工作温度28℃，出口工作温度38℃；管程高压空气是上进下出，设计温度220℃，其中进口工作温度182℃，工作压力7.1MPa，出口工作温度40℃；该冷却器换热管采用φ19×2mm的SA213-TP316L不锈钢无缝管。

现场将泄漏冷却器的管束抽出检查，如图2所示。目视检查可见上半部分换热管表面腐蚀较严重，有一层黄色腐蚀物，肉眼可见3根换热管断裂，随即对该管束断裂的管子及泄漏管进行取样。

1宏观形貌分析

取样管见图3，其中1#和2#为带断口的换热管，3#和4#为正常换热管。

由图3可见1#和2#失效管断口及断口附近的钢管外表面覆盖有明显的黄色氧化物，管材外表面存在一定的腐蚀产物。将断口试样切下并清洗后断口试样宏观形貌见图4，黄色锈蚀产物大部分已清洗掉，在断口附近的钢管外表面可见较多的腐蚀凹坑。在断口附近还可观察到贯穿管壁的其它裂纹。

2化学成分分析

在四个换热管上分别取样，进行化学成分分析，化学成分采取光谱分析的方式，具体参考标准GB/T11170-2008，结果见表1所示。ASMESA213 TP316L成分同时列于表中，由结果可见材料各元素满足标准要求。

3力学性能试验

分别在三个长度足够的换热管上表面无异常处取整管拉伸试样，检测结果见表2，ASMESA213 TP316L力学性能同时列于表中，由结果可见材料抗拉强度、塑性延伸强度及断后伸长率均满足标准要求。

4金相分析

在1#、2#试样断口附近和3#、4#试样上切取纵向试样进行金相分析，各试样晶粒形貌见图5，组织形貌见图6。从图中可以看出材料金相组织为正常奥氏体，晶粒大小均匀，平均晶粒度5.0级，金相组织未见明显异常。

在1#和2#试样断口附近的表面同样发现由多条起源于外表面的树枝状裂纹，有应力腐蚀裂纹特征。

5电镜与能谱分析

将断口试样在扫描电镜下观察并用EDS方法检测腐蚀产物成分，腐蚀产物形貌见图7，除常规316L不锈钢元素外，腐蚀产物中包含较多的Cl、Mg、S和P等腐蚀性元素。清洗后的断口放在扫描电镜下观察断口微观形貌见图8。两断口断裂形式类似，均为起源于管外壁沿着管厚度方向延伸扩展，裂纹源不止一处，裂纹在扩展中二次分叉。断口形貌呈河流花样，河流花样呈现不同的台阶，为准解理断口，属于穿晶形断裂。

6分析与讨论

经现场取管宏观检测结果表明，换热管断口呈现一定程度的氧化。同时观察到断口处附近有贯穿管壁的其它裂纹存在。换热管环向开裂主要发生在冷却器上方管板背面靠壳程侧，换热管外壁有腐蚀特征，换热管外壁有大量腐蚀产物。通过对取样换热管的力学性能检测和化学成分分析，非金属夹杂物含量较少，晶粒大小均匀，组织为正常奥氏体。其符合ASME SA213 TP316L的材料要求。

裂纹主要从换热管外壁向内扩展，在裂纹扩展过程中发生二次裂纹，裂纹尖端尖锐。断口整体形貌为准解理形貌，具有穿晶特征，少量区域为沿晶断裂，开裂断口呈明显的脆性开裂。靠近起裂源位置的外部表面有大量的腐蚀产物，经能谱分析换热管外壁和断口腐蚀产物中均含有Cl元素。对于奥氏体不锈钢来讲，其应力腐蚀的敏感元素是卤素元素，尤其是Cl离子，其浓度应控制在25ppm以下。

冷却器的管程介质为高压空气，进口（上端）工作压力7.1MPa。该设备运行一年期间无问题，在停车检修后二次开车时，大量的高压空气管程进口进入，通过管程的斜挡板反射进入冷却器上方换热管，使上方的换热管发生大的振动，对换热管产生大的冲击应力、振动应力等附加应力。另外换热管与管板连接是贴胀+焊接，也会造成应力高度集中。壳程介质循环水在设备一直运行中Cl离子浓缩于换热管表面，形成易腐蚀环境。从该冷却器的结构看，其管程的斜挡板直接将高压空气反射到上方换热管内，反复的开停车也会造成换热管振动而发生疲劳断裂。

综上所述，冷却器上方换热管在管板背面靠壳程侧发生断裂失效的主要原因为：换热管在使用时受到冲击应力、振动应力等附加应力，壳程介质循环水中Cl离子出现浓缩附着于换热管表面，增加了应力腐蚀的敏感性，导致冷却器上方换热管发生腐蚀。在拉应力和腐蚀介质的作用下，从外壁向内发生应力腐蚀开裂，最终致使冷却器腐蚀泄漏失效。

7结论

（1）该冷却器材料选用316L奥氏体不锈钢，在壳程有Cl离子浓缩现象，在附加应力作用下导致壳程上方管板侧换热管外壁发生应力腐蚀开裂从而设备失效。

（2）对于含Cl元素介质工况的设备建议采用双相不锈钢取代316L、304L等奥氏体不锈钢。管壳式换热器失效与材料、结构、工况及工作介质等多种因素有关，往往是多种因素共同作用的结果。因此在换热器的设计、选材、制造和使用过程中全面考虑各种影响因素，以防患未然。