板式換熱器板片失效分析

孔文彬，馬小明，江 楠

(華南理工大學化工機械與安全工程研究所，廣東廣州 510640)

0 引言

板式換熱器是一種結構緊湊、性能高效的換熱設備。由于具有換熱效率高(其傳熱系數(shù)比管式換熱器高3～5倍)、占地面積小(為管式換熱器的1/3)、板片形式多、組裝靈活、拆卸清洗檢修方便等特點，板式換熱器被廣泛應用在石油、化工、食品等各個行業(yè)，并取得較好的經濟效益［1］。板式換熱器主要的失效形式有密封失效、腐蝕失效、斷裂失效和結垢堵塞［2－3］。

文中所分析的失效設備為某化工廠A305板式換熱器(甲醇冷凝器)，其板片密封槽開裂，換熱板材質為304不銹鋼(相當于國內牌號的06Cr19Ni10)。一側介質為冷卻水，進口溫度26℃，出口溫度34 ℃，工作壓力0.15 ～0.3 MPa;另一側為甲醇蒸氣，進口溫度80℃，出口溫度50℃，工作壓力0.015～0.03 MPa。為了查明板片開裂原因，避免類似情況重復發(fā)生，對此板式換熱器板片進行了失效分析。

1 理化檢測與分析

1.1 宏觀分析

從宏觀上觀察，發(fā)生開裂的不銹鋼板片，其冷卻水一側板片表面覆蓋著大量淺黃色垢層，有部分深褐色腐蝕痕跡，未發(fā)現(xiàn)裂紋和穿孔(見圖1);而甲醇蒸汽一側表面光亮，未發(fā)現(xiàn)垢狀物、裂紋及穿孔(見圖2);在密封槽上存在明顯的裂紋，裂紋主要沿板片密封槽走向，有明顯的分叉現(xiàn)象，局部有二次裂紋，裂紋附近沒有明顯的塑性變形(見圖3);對裂紋部分取樣打磨后發(fā)現(xiàn)有點腐蝕存在，腐蝕坑由冷卻水側向甲醇蒸汽側延伸(見圖4)。

圖1 開裂板片冷卻水側形貌

圖2 開裂板片甲醇蒸汽側形貌

宏觀觀察表明，換熱板片冷卻水側發(fā)生點腐蝕，腐蝕源于水側;板片裂紋具有應力腐蝕的基本特征，這可能與板片密封部位冷沖壓成型具有較高的殘余應力、冷卻水的化學成分、墊片和板片的相互作用等因素有關，需進一步檢驗。

圖3 板片裂紋形貌

圖4 裂紋部位腐蝕孔形貌

1.2 微觀分析

在板片斷面用線切割切取試樣，用掃描式電子顯微鏡進行斷口微觀形貌觀察。發(fā)現(xiàn)斷口表面覆蓋大量的腐蝕產物(見圖5);斷口表面存在泥狀花樣微觀形貌(見圖6);斷口表面呈現(xiàn)出不同位向的晶粒多面體外形的冰糖塊狀花樣，晶粒明顯，且觀察到沿晶二次裂紋(見圖7)和穿晶二次裂紋(見圖8);斷口表面具有準解理花樣，稍有撕裂嶺(見圖9)。

圖5 斷口表面的腐蝕產物

圖6 斷口表面泥狀花樣形貌

圖7 冰糖塊狀花樣及沿晶二次裂紋

圖8 穿晶二次裂紋

圖9 準解理面及撕裂嶺

微觀分析表明，斷口上發(fā)現(xiàn)泥狀花樣、冰糖塊狀花樣、準解理花樣及二次裂紋，具有應力腐蝕的微觀形貌特征。

1.3 化學成分分析

從換熱器板片上取樣進行化學成分分析，分析結果見表1。

表1 板片化學成分%

從測量結果可以看出，除Si質量分數(shù)較高和Ni質量分數(shù)略微偏低以外，其余各元素的含量均處于GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》中304奧氏體不銹鋼中規(guī)定的范圍內［4］。

Si含量偏高會提高材料冷變形加工硬化率，降低焊接性能，易導致冷脆［5］。Ni在不銹鋼中是形成奧氏體晶體結構的元素，能改善不銹鋼的耐蝕性和工藝性能。Ni含量偏低會對奧氏體不銹鋼的抗腐蝕性能產生不利影響。

1.4 斷面能譜分析與垢層X射線衍射分析

取斷口微觀分析試樣和換熱板外表面覆蓋層分別進行微區(qū)能譜分析與垢層衍射分析，結果見表 2，3。

表2 能譜分析結果%

由檢測結果可以看出，斷口表面和板片冷卻水側表面垢層都檢測出較多的Cl元素和S元素。由于板片表面結垢層位于冷卻水側，故可以判斷Cl－來源于工廠所用的循環(huán)冷卻水。輸送冷卻水的碳鋼管道發(fā)生的腐蝕造成了冷卻水長期循環(huán)過程中有害S2－的濃縮［6］。此外，密封橡膠墊片和密封膠材料組成中含有硫化劑，長期處于高溫和腐蝕介質中逐漸老化析出含 Cl－，S物質［7］。對奧氏體不銹鋼，在含有Cl－，S2－的介質中容易發(fā)生應力腐蝕，循環(huán)冷卻水中Cl－，S2－偏多導致板片的應力腐蝕。

1.5 金相檢驗

從換熱器板片上選擇具有代表性的部位取樣進行金相檢驗。檢驗發(fā)現(xiàn)未腐蝕部位試樣的金相組織形貌正常，可見均勻的奧氏體組織，部分晶粒呈孿晶分布，其上黑色小點為碳化物(見圖10);靠近板片冷卻水側腐蝕較嚴重的試樣斷口附近的表面粗糙不平，有金屬顆粒脫落，金相組織正常，未發(fā)生變化(見圖11);腐蝕嚴重部位的腐蝕孔下存在穿晶型裂紋，裂紋呈樹枝狀，其他部位金相組織正常(見圖12)。

圖10 未腐蝕部位金相組織 1000×

金相檢驗表明:材料為典型的奧氏體組織，晶粒形態(tài)均一，部分晶粒呈孿晶分布。金相組織正常，未觀察到脫碳層、晶粒增大等現(xiàn)象。發(fā)生失效的部位明顯存在不同程度的腐蝕孔和穿晶型裂紋，腐蝕孔與裂紋都是從冷卻水側產生。

圖11 冷卻水側腐蝕部位金相組織 500×

圖12 腐蝕孔下裂紋形貌

1.6 板片殘余應力測試

在換熱器板片的換熱面和密封槽選取測試區(qū)，每個測試區(qū)選取8個點進行殘余應力測試。測試結果見表4。

表4 殘余應力測試結果

測試結果顯示，密封槽上的殘余應力主要是拉伸應力，拉伸應力平均值185 MPa，少數(shù)點測出壓應力，壓應力平均值－100.5 MPa，說明密封面上以殘余拉應力為主，局部存在壓應力，而拉應力數(shù)值明顯大于壓應力;在熱交換面上的殘余應力全部是拉應力，拉應力平均值73.3 MPa，沒有測試點測出壓應力。兩測試面相比較，密封槽上的殘余應力明顯大于熱交換面。因此，應力腐蝕開裂主要是由于殘余拉應力引起的，裂紋全部集中在密封面上，測量結果與宏觀觀察結果相符。

2 原因分析與討論

上述理化檢測結果表明，換熱器板片冷卻水側換熱面發(fā)生點腐蝕，點腐蝕造成密封槽腐蝕開裂，裂紋呈樹枝狀，無明顯的塑性變形;斷口表面微觀分析成泥狀、冰糖塊狀、準解理花樣，存在沿晶和穿晶腐蝕二次裂紋;金相檢驗材料為典型的奧氏體組織結構，晶粒形態(tài)均一，部分晶粒呈孿晶分布，裂紋源于冷卻水側，具有典型應力腐蝕的基本特征。

腐蝕產物中檢測出較多的Cl元素和S元素，證明循環(huán)冷卻水介質中存在Cl－和S2－。奧氏體不銹鋼在含有Cl－和S2－的溶液中易發(fā)生點腐蝕，在應力作用下易發(fā)生應力腐蝕［8－9］。密封墊和密封槽之間存在縫隙，Cl－和S2－在縫隙處聚集濃縮，進一步加深了應力腐蝕開裂。

密封槽和換熱面均存在殘余拉應力，密封槽上殘余應力較大，隨著板片工作時間的增加，加上工作熱應力的影響，在密封槽上發(fā)生了應力腐蝕破裂。另外，換熱板材料Si含量較高和Ni含量略微偏低。Si含量偏高易導致冷脆，Ni含量偏低降低了不銹鋼的抗腐蝕能力。

3 結論與建議

綜上所述，換熱器板片腐蝕孔與裂紋均源于冷卻水側，其失效的主要原因是密封槽存在較高的殘余應力，板片長期處在含有較多Cl－和S2－的循環(huán)介質中發(fā)生了應力腐蝕破裂所致。此外，板片材料的缺陷降低了其耐蝕性。

304不銹鋼在冷加工量較大時易導致奧氏體中出現(xiàn)變形馬氏體組織，硬度明顯增大，對應力腐蝕更敏感。

建議改用316L，它不易出現(xiàn)馬氏體相，可以延緩應力腐蝕的發(fā)生。

［1］徐云武，黃長山，吳晉英，等.板式換熱器的清洗［J］.清洗世界，2010，26(1):39 －43.

［2］郭德順.板式換熱器失效的主要因素及防范對策［J］.化工進展，2001，(2):52 －54.

［3］董雷云，劉長軍，潘緝悌.板式換熱器不銹鋼板片失效分析［J］.壓力容器，2005，22(5):50 －52.

［4］GB/T 20878—2007，不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分［S］.

［5］高宗仁.世界不銹鋼耐熱鋼牌號手冊［M］.太原:山西科學技術出版社，2006:14－19.

［6］劉凡永，廖景娛.氨冷凝器傳熱管腐蝕泄漏分析［J］.壓力容器，2003，20(3):38 －40.

［7］宋兆煌，周文學，黨戰(zhàn)偉.用于板式換熱器的橡膠密封墊片［J］.石油化工設備，2003，32(3):43 －44.

［8］杜清.不銹鋼換熱器管板產生裂紋的原因分析［J］.壓力容器，2004，21(4):50 －53.

［9］廖景娛.金屬構件失效分析［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003:101－108.