板殼式換熱器金屬腐蝕原因分析

張 東，張 紅，黃興德

（上海漕涇熱電有限責任公司，上海 201507）

0 引言

上海漕涇熱電有限責任公司（以下簡稱漕涇熱電廠）位于上海西南杭州灣北岸的化學(xué)工業(yè)區(qū)內(nèi)，裝備2臺300 MW燃氣－蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)熱電機組，2004年12月投運，除正常發(fā)電外，還向化工區(qū)客戶提供蒸汽和除鹽水。

對應(yīng)4臺超濾裝置與反滲透設(shè)備，加熱系統(tǒng)配置了4臺伐德魯斯全焊接型板殼式換熱器（以下簡稱加熱器）。

由于超濾膜對運行溫度十分敏感，因此在冬季運行時需要加熱進水，而在夏季運行時則要停止加熱，使得4臺加熱器長期處于頻繁起停狀態(tài)，金屬材料承受的應(yīng)力非常大，加上加熱系統(tǒng)的配置及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)也存在一些問題，為此于2006年9月趁檢修機會，將加熱系統(tǒng)改為母管配置，即不管超濾投運幾套，4臺加熱器同時運行，流量平均分配，確保加熱器始終處于連續(xù)運行狀態(tài)。

1 加熱器發(fā)生內(nèi)漏

2007年1月，加熱系統(tǒng)改為母管配置后系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定，但在2008年11月初，發(fā)現(xiàn)加熱蒸汽疏水側(cè)含鹽量急劇上升，從原有的5μS／cm上升至300μS／cm，經(jīng)過逐臺疏水監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)4臺加熱器都存在不同程度的內(nèi)漏，板殼式加熱器的結(jié)構(gòu)示意照片，如圖1所示。

圖1 板殼式換熱器結(jié)構(gòu)

加熱器外觀如圖1（a）所示，外殼為壓力容器，殼體材料采用碳鋼；內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，其核心是由圓形波紋換熱板片經(jīng)本體焊接而成的換熱板束，換熱板片材料采用AISI 316L，上部為加熱蒸汽進口，底部為疏水出口。被加熱的水流為逆流布置，側(cè)面下部進水，側(cè)面上部出水。加熱器在冬季投運，進水溫度保持在4～15℃，出水溫度保持在20～25℃，加熱蒸汽經(jīng)過減壓閥后壓力為5 MPa，溫度為200℃。

解體加熱器后發(fā)現(xiàn)，靠近進水側(cè)入口面的大部分換熱板束，未見明顯的焊縫開裂或腐蝕現(xiàn)象，如圖2（a）所示；而在靠近出水側(cè)出口面的眾多換熱板束，有明顯的焊縫開裂和腐蝕現(xiàn)象，如圖2（b）所示。

圖2 圓形波紋換熱板表面

2 加熱器焊縫開裂及腐蝕原因

2.1 波紋換熱板材質(zhì)分析

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（XL30FEG），對加熱器損壞脫落的換熱板進行微區(qū)高分辨二維形貌觀察，分析不銹鋼換熱器失效材料的化學(xué)成分、顯微組織、腐蝕產(chǎn)物的成分和裂紋形貌等，并使用射線能譜儀（EDX）對感興趣的區(qū)域進行微區(qū)組分和元素分布掃描。

微區(qū)組分和元素分布掃描結(jié)果為：Mn標準為2.00，實測為2.03；Si標準為1.00，實測為0.6；Cr標準為16.0～18.0，實測為17.4；Ni標準為10.0～14.0，實測為9.98；Mo標準為2.0～3.0，實測為2.32；Fe標準為基體，實測為67.6。測定結(jié)果材料為TP 316L。

2.2 裂紋分布及起源分析

取多個破損脫落的換熱板片觀察，發(fā)現(xiàn)破損開裂處主要分布在板片的焊接處，裂紋均較粗，較少分支性的微裂紋；橫裂紋主要分布在焊接邊緣區(qū)域，縱向裂紋主要起源于焊接邊緣區(qū)域，沿裂紋起點及走向觀察，存在較少明顯的點蝕坑，如圖3所示。

圖3 裂紋主要分布在板片的焊接處

用電子顯微鏡對碳化物形貌進行分析，表明危險區(qū)退火后，沿晶界析出大量樹枝狀碳化物薄片，形成連續(xù)的鏈狀。提高退火溫度，擴散會加快，晶間腐蝕傾向會增大，晶界結(jié)構(gòu)變化與回火時間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 晶界結(jié)構(gòu)變化與回火時間的關(guān)系

焊縫腐蝕是晶界腐蝕的一種特殊形態(tài)，由焊接引起，發(fā)生在離焊縫稍有距離的母材上，腐蝕區(qū)呈帶狀。不銹鋼容易發(fā)生焊縫腐蝕，主要是焊接時不銹鋼的受熱溫度在其敏化溫度范圍內(nèi)，晶界生成（Fe、Cr）23C6沉淀而引起的。

2.3 失效區(qū)域的沉積物分析

取破損脫落的換熱板片對裂紋和撕裂部位進行微觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)沉積物部位銀色閃亮的物質(zhì)不是沉積物，而是暴露的FeCr O晶體，如圖5所示。

FeCr O晶體元素分析結(jié)果：O為29.17%，Na為0.63%，Mg為1.00%，Al為0.64%，Si為1.16%，P為1.46%，S為0.61%，Cl為0.61%，Ca為5.45%，Cr為26.68%，F(xiàn)e為22.63%，Ni為3.14%。

撕裂部位沉積物較少，如圖6所示。沉積物元素分析結(jié)果：O為75.11%，Na為5.93%，Mg為 2.15%，Al為3.41%，Si為3.15%，P為2.91%，S為0.81%，Cl為0.70%，Ca為5.84%。沉積物元素分析結(jié)果表明，不存在明顯的氯離子、硫酸根離子的濃縮，沉積元素基本與原水水質(zhì)相符。

圖5 撕裂部位暴露的FeCrO晶體

圖6 撕裂部位沉積物較少

2.4 汽水兩側(cè)沉積物及點蝕分析

取破損脫落的換熱板片，對裂紋走向、撕裂部位和汽水兩側(cè)表面進行點蝕情況的形貌分析和微觀觀察，水側(cè)表面有大量較淺的點蝕坑存在，如圖7所示。少量發(fā)源于點蝕坑的裂紋，裂紋較短，尚處于孕育階段。取3個沉積物樣本，元素分析結(jié)果如下。

沉積物樣本A元素分析結(jié)果：O為71.03%，Na為2.56%，Mg為2.33%，Al為1.04%，Si為3.72%，P為2.17%，S為2.28%，Cl為3.22%，Ca為11.65%。

沉積物樣本B元素分析結(jié)果：O為76.29%，Na為2.56%，Mg為2.33%，Al為1.19%，Si為5.11%，P為2.56%，S為6.37%，Cl為2.85%，Ca為5.62%。

沉積物本C元素分析結(jié)果：O為37.07%，Na為0.65%，Mg為2.88%，Al為2.47%，Si為1.30%，P為1.51%，S為0.96%，Cl為0.94%，Ca為0.94%，Cr為19.34%，F(xiàn)e為4.16%，Ni為 8.22%。

沉積物元素分析結(jié)果表明，不存在明顯的氯離子、硫酸根離子的濃縮，沉積元素基本與原水水質(zhì)相符。

圖7 伴隨裂紋的點蝕坑分析

工作環(huán)境溫度為175℃，氯離子為400 mg／L時誘發(fā)不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂特征，如圖8所示。從這個典型案例來看，裂紋呈樹枝狀，主裂紋似樹干，許多分叉裂紋形成樹枝。由氯離子誘發(fā)的不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，必須具備應(yīng)力、溶解氧、氯離子和溫度4個要素，只有氯離子與一定溫度的協(xié)同作用，才會產(chǎn)生初始的點蝕現(xiàn)象。

對于加熱器316L不銹鋼管束而言，汽水兩側(cè)溫度必須超過50℃，加上氯離子誘發(fā)，才可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。而加熱器泄漏之前的進水溫度保持在4～15℃，出水溫度保持在20～25℃，氯離子含量為100～200 mg／L。因此，在現(xiàn)有工作溫度條件下，316L不銹鋼管束應(yīng)力腐蝕開裂的風險較小。

圖8 氯離子誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂特征

4 加熱器失效分析結(jié)論

通過對加熱器的運行分析及對金屬成分的檢測，結(jié)論如下：

1）換熱板材中Cr、Ni、Mn、Mo等主要成分，基本符合316L不銹鋼的標準。

2）在加熱器泄漏之前，水側(cè)溫度為25℃，明顯低于不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的閥值溫度（50℃）；參照溫度較為接近的國標工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范（GB 50050—95）要求，不銹鋼換熱設(shè)備，氯離子要求低于700 mg／L，SO2－4＋Cl－≤2500 mg／L。目前原水氯離子含量為100～200 mg／L，在現(xiàn)有溫度條件下，316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的風險較小。

3）淺表性的點蝕坑說明水質(zhì)存在輕微的點蝕趨勢，具有氯離子腐蝕特征。而在焊接區(qū)域和應(yīng)力裂紋存在的情況下，設(shè)備停用期間氯離子、濕度、溶解氧的聯(lián)合腐蝕加速了不銹鋼的失效進程，也是原因之一，但不是主要原因（這符合設(shè)備失效前具有較長周期停運的實際情況）。

4）裂紋主要分布在焊接區(qū)域，點蝕坑較淺，不是裂紋的發(fā)源地，屬于典型的不銹鋼晶界腐蝕中的焊縫腐蝕，說明加熱器成品在焊接工藝上存在強度薄弱點，也是加熱器最早破損點。

5）加熱器水側(cè)溫度為5～25℃，汽側(cè)溫度為200℃左右，溫差引起的熱應(yīng)力較大。尤其是加熱器投運初期，由于加熱器和超濾設(shè)備呈對應(yīng)關(guān)系，超濾設(shè)備實施“運行過濾—反洗—運行過濾”方式，導(dǎo)致加熱器頻繁啟停，熱應(yīng)力沖擊較大。特別是在蒸汽的進口處，熱應(yīng)力最為集中，加快了換熱板的破損。

5 后期運行情況

目前，化水加熱系統(tǒng)常用的加熱器大多采用進口設(shè)備，焊接工藝造成焊縫腐蝕不受控制，通過全衡對比后，最終采用阿法拉伐全焊式加熱器CP30-V，其優(yōu)點：一是，熱交換板材選用SMo245，對比316L的抗氯離子濃度更高；二是，在結(jié)構(gòu)上去除了在超濾系統(tǒng)運行時，工業(yè)水過熱汽化可能儲存空間，避免了因氣蝕發(fā)生水錘沖擊；三是，通過控制超濾產(chǎn)水箱水位，避免應(yīng)高高水位造成超濾系統(tǒng)全停，穩(wěn)定蒸汽進汽量的限值。

新的加熱器于2008年11月投運至今，加熱器單臺冷凝水排水電導(dǎo)檢測始終在5.7μS／cm以下，沒有發(fā)生換熱板材損壞現(xiàn)象。