Análise e discussão sobre falha de vazamento de curto prazo em tubos de trocador de calor de aço inoxidável duplex 2205 – fornecendo soluções de tubulação

O aço inoxidável duplex é amplamente utilizado em algumas condições agressivas de trabalho em empresas petroquímicas. No entanto, após um curto período de operação do trocador de calor de petróleo bruto/gás e do sistema aéreo da torre atmosférica de uma empresa petroquímica, vários vazamentos ocorreram no local da placa tubular do trocador de calor. Este artigo descreve as causas desse erro. Tubo trocador de calor Devido ao seu vazamento de curto prazo, foi analisado exaustivamente usando métodos de detecção de morfologia de corrosão, metalografia, dureza, etc. Combinado com o ambiente corrosivo do tubo do trocador de calor, fornece suporte técnico para a subsequente proteção anticorrosiva do aço inoxidável duplex.

O aço duplex (DSS) é um tipo aço inoxidável onde a ferrita representa 50% e a austenita representa 30%. Este tipo de aço possui propriedades tanto do aço inoxidável austenítico quanto do ferrítico. Comparado com o aço inoxidável ferrítico, este tipo de aço possui maior plasticidade e tenacidade, sem fragilidade à temperatura ambiente e sua resistência à corrosão intergranular e propriedades de soldagem são significativamente melhoradas; Comparado ao aço inoxidável austenítico, possui alta resistência, resistência à corrosão intergranular e resistência à corrosão sob tensão por cloretos. Devido às propriedades mencionadas, o aço inoxidável duplex é amplamente utilizado em algumas condições adversas de trabalho em empresas petroquímicas. Embora o aço inoxidável duplex tenha boa resistência à corrosão, em alguns ambientes especiais, defeitos devido à corrosão do aço inoxidável duplex ou outros motivos ainda ocorrem com frequência. Após uma operação de curto prazo (2 meses) do trocador de calor óleo-gás bruto de uma torre atmosférica de uma unidade de destilação petroquímica, ocorreram vários vazamentos na área da junta de dilatação de diversas cabeças de tubulação. A fim de compreender a causa da falha de vazamento de curto prazo dos tubos de troca de calor, um tubo de troca de calor com vazamento e um grupo de tubos de troca de calor sem vazamento foram cortados do feixe de tubos de extração do trocador de calor. As causas da falha foram analisadas exaustivamente através de análise morfológica de corrosão, análise metalográfica, testes de dureza e análise de espectro de energia para tomar medidas de proteção eficazes e evitar acidentes semelhantes.

Análise de processo

As chapas e tubos do trocador de calor são feitos de aço inoxidável duplex 2205 (0cr22ni5mo3n). O meio é óleo e gás normais a uma temperatura de 80°C. Petróleo e gás contêm muito H2S, Cl e H2O, o que leva à corrosão em baixa temperatura de HCl + H2S + H2O em um ambiente de mídia complexo. Em níveis de pH acima de 7, a corrosão ácida da água é o mecanismo de dano predominante. Em valores de pH abaixo de 7, a corrosão por ácido clorídrico é o mecanismo de dano predominante. Além disso, a presença de H2S em um ambiente úmido de sulfeto de hidrogênio leva à corrosão sob tensão em aço carbono e aço de baixa liga, e os íons cloreto levam à corrosão sob tensão por cloreto em aço inoxidável austenítico. Como o telhado normal usa o método “injetar três vezes e remover uma vez”, a injeção de amônia também pode causar corrosão sob a escala de NH4Cl.

Análise da aparência e propriedades do material de feixes de tubos com danos por vazamento

Morfologia macroscópica

O trocador de calor é um trocador de calor tubular em forma de U. O tubo curvo é um tubo liso e o tratamento com solução sólida é realizado de acordo com os requisitos do projeto. O tubo reto é o tubo espiral processado por laminação. A Figura 1 mostra a morfologia do dano da ranhura na parede externa do tubo de troca de calor, e a Figura 2 mostra a morfologia do dano por pite local na superfície interna do tubo de troca de calor.

Fig. 1: Morfologia do dano por rotação de uma ranhura na parede externa de uma seção de tubo

Fig. 2: Morfologia de danos por corrosão local na superfície interna de uma seção de tubo

As características macroscópicas do espelho e do tubo quebrado do trocador de calor com vazamento são as seguintes.
(1) Número e características de distribuição dos tubos de vazamento na placa do tubo do trocador de calor

• 1) Existem mais de 30 tubos de vazamento na chapa do tubo;
• 2) A localização do tubo de vazamento é irregular.

(2) As características dos danos de usinagem na superfície externa dos tubos de troca de calor foram investigadas.
Existem muitos defeitos de rolamento na superfície externa da ranhura giratória do tubo de troca de calor com vazamento. Embora existam muitos defeitos, a profundidade dos defeitos é relativamente pequena, o que obviamente não é a causa da rachadura e vazamento do tubo de troca de calor na operação de curto prazo, mas não se pode descartar que continuará a se expandir em longo prazo. operação a longo prazo do dispositivo.
(3) As características de danos por corrosão da superfície interna do tubo de troca de calor foram examinadas.
A corrosão por picada ocorre mais comumente na superfície interna do tubo, perto da chapa do tubo. À medida que a distância da placa do tubo aumenta, a corrosão por pites diminui gradualmente. A pequena profundidade de corrosão na superfície interna do tubo de troca de calor não deve ser a causa de rachaduras e vazamentos de curto prazo no tubo de troca de calor.
Análise metalográfica
A estrutura local da seção transversal e da seção longitudinal da seção do tubo foi examinada com um microscópio metalográfico, conforme mostrado na Figura 3 e Figura 4. A estrutura da matriz é composta por precipitados de ferrita e austenita em faixas, o número das duas fases é aproximadamente o mesmo e os precipitados de austenita são distribuídos em faixas ao longo da direção de laminação do tubo de aço.

Fig. 3 Microestrutura local e morfologia de microfissuras da seção transversal de uma seção de tubo

Fig. 4 Microestrutura local e morfologia de microfissuras da seção longitudinal da seção do tubo

Existem microfissuras longitudinais na superfície interna do tubo de calor. O comprimento radial dessas microfissuras é curto (dentro de 150 μm), mas seu número é grande. Além disso, constatou-se que a microestrutura das microfissuras na parede interna é diferente daquela do tubo normal de aço inoxidável duplex. Na área de microfissuras, existe uma camada fina (menos de 100 μm) ao longo da parede do tubo com uma estrutura em faixas que lembra uma camada de cristal colunar. As microfissuras na parede interna estão essencialmente distribuídas entre os limites em faixas desta fina camada, que se assemelha a uma camada cristalina colunar. A presença de microfissuras longitudinais reduz a capacidade de carga, especialmente a capacidade de deformação plástica e o desempenho de soldagem dos tubos trocadores de calor.
Há uma faixa de deformação claramente visível perto da ranhura em espiral na superfície externa da seção do tubo, e a direção da faixa de deformação envolve completamente a ranhura em espiral usinada por laminação. Além disso, descobriu-se que existem fissuras rolantes com cerca de 100 μm de comprimento na parte inferior de algumas ranhuras espirais, indicando que a pressão de rotação é muito alta. A presença de uma zona de deformação giratória indica que o tubo de troca de calor em espiral não foi submetido ao tratamento de recozimento de alívio de tensão por solução após a fiação.

Análise de composição química

A composição química foi analisada retirando amostras do cotovelo do trocador de calor.
Os dados específicos estão listados na Tabela 1. De acordo com os resultados da análise, exceto pelas diferenças nos dados de nitrogênio, os demais componentes atendem ao padrão de material 2205.