換熱器板片失效原因分析

齊紅梅，俄 馨，史 偉，楊 莉，雍紅團(tuán)華

(蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314)

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器，板片做為板式換熱器的重要組成部分，各種板片之間形成薄矩形通道，專門用來隔離介質(zhì)和進(jìn)行熱交換[1]。某公司生產(chǎn)的一臺(tái)板式換熱器，在服役約5個(gè)月后發(fā)現(xiàn)介質(zhì)串液現(xiàn)象。該換熱器板片所采用材質(zhì)為C-276哈氏合金，板厚δ=0.5 mm。板式換熱器的熱側(cè)介質(zhì)為冷凝水(157 ℃)，冷側(cè)介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)39%的純堿(106 ℃)。該臺(tái)板式換熱器共計(jì)使用40張波紋型板片，其中有27張板片失效，失效板片表面均發(fā)生層狀剝落甚至穿透的現(xiàn)象(圖1)。換熱器運(yùn)行過程中，進(jìn)水口和出水口壓力儀表顯示正常，壓降未發(fā)現(xiàn)異常。設(shè)備運(yùn)行期間曾停車約2個(gè)月，且停車后并未把換熱器中的介質(zhì)排空并清洗。為查找造成該換熱器失效原因，對(duì)拆卸后的部分板片進(jìn)行了相關(guān)的檢測(cè)與分析。

1 理化檢測(cè)

1.1化學(xué)成分分析

在板片出水口附近取樣，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析(表1)，結(jié)果符合ASTM B575—06《低碳鎳鉻鉬、低碳鎳鉻鉬銅、低碳鎳鉻鉬鉭及低碳鎳鉻鉬鎢合金板材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)C-276哈氏合金化學(xué)成分的要求。

(a) 冷側(cè)；(b) 熱側(cè)圖1 換熱器板片形貌(a)cold side; (b)hot sideFig.1 Morphology of plate in heat exchanger

元素MoCrFeWCoCSiMnVSPNi 檢測(cè)值 16.3515.184.313.721.080.010.020.490.020.0030.00558.22 標(biāo)準(zhǔn)值15.0～17.014.～16.54.0～7.03.0～4.5≤2.5≤0.010≤0.08≤1.0≤0.35≤0.03≤0.04余量

1.2宏觀檢驗(yàn)

對(duì)失效板片進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在板片的熱側(cè)(介質(zhì)為冷凝水的一側(cè))發(fā)生部分表面層狀剝落現(xiàn)象，見圖2(a)、2(b)；且距離進(jìn)水口越近處發(fā)生剝落現(xiàn)象越嚴(yán)重，剝落層厚度也隨之增加，在進(jìn)水口附近隨著表層層狀物質(zhì)剝落，發(fā)現(xiàn)板片局部已有穿孔現(xiàn)象，見圖2(c)；而該側(cè)出水口側(cè)的板片未發(fā)現(xiàn)剝落現(xiàn)象且表面仍具有金屬光澤，見圖2(d)，同時(shí)冷凝水側(cè)密封墊無破損。對(duì)板片冷側(cè)(介質(zhì)為純堿的一側(cè))清洗后觀察，在該板片的冷側(cè)表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕或氧化的異常現(xiàn)象，見圖2(e)。

1.3金相檢驗(yàn)

分別在板片的進(jìn)水口和出水口附近取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。顯微組織均為γ相，見圖3(a)、圖3(b)，其晶粒度均為6.0級(jí)，未發(fā)現(xiàn)引起板片失效的異常組織或明顯的析出相以及過高的夾雜物級(jí)別。

(a)熱側(cè)進(jìn)水口附近層狀剝落現(xiàn)象；(b)熱側(cè)進(jìn)水口附近層狀剝落現(xiàn)象；(c)板片局部穿透；(d)熱側(cè)出水口；(e)冷側(cè)(介質(zhì)為純堿的一側(cè))圖2 換熱板片宏觀照片(a) laminlar spalling near inlet of hot side; (b) laminlar spalling near inlet of hot side; (c) local penetration of plate; (d)outlet of hot side;(e)cold side (side of pure alkali)Fig.2 Macroscopic photos of plate in heat exchange

1.4SEM分析

在冷凝水側(cè)進(jìn)水口附近取層狀剝落物質(zhì)試樣進(jìn)行微觀形貌分析，在板片表面進(jìn)水口板片表面存在大量氧化產(chǎn)物，表明發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕或氧化，見圖4(a)；在板片出水口位置表面形貌平整，系正常板片金屬表面，見圖4(b)。并在層狀剝落物質(zhì)最表面局部位置存在開裂的現(xiàn)象，見圖4(a)，開裂具有穿晶和沿晶走向的混合特征。

(a)出水口附近；(b)進(jìn)水口附近圖3 金相檢驗(yàn)(a) near water outlet; (b) near water inletFig.3 Metallographic examination

(a)層狀剝落物質(zhì)；(b)正常板片表面圖4 微觀形貌分析(a) material of laminlar spalling; (b)normal surface of plateFig.4 micro morphology analysis

1.5EDS分析

對(duì)進(jìn)水口附近的板片表面層狀剝落物質(zhì)進(jìn)行EDS分析，測(cè)試時(shí)隨機(jī)選取了10點(diǎn)，將具有代表性的兩處進(jìn)行了分析(分別標(biāo)記為譜圖1處、譜圖3處)。發(fā)現(xiàn)板片表面的層狀物質(zhì)中主要含有大量的Ni、O兩種元素，見圖5、表2、表3，表面層狀物質(zhì)中未發(fā)現(xiàn)Cl、S等元素的存在。

1.6XRD分析

對(duì)板片表面層狀剝落物質(zhì)做XRD分析，其中譜線中的衍射峰主要是鎳和鎳的氧化物的特征峰，而部分鎳的氧化物特征峰與鎳的特征峰重合。結(jié)果表明該物質(zhì)由鎳及一些氧化物NiO2、Ni2O3、NiO(OH)組成，見圖6。

1.7冷凝水試驗(yàn)

取冷凝水進(jìn)行分析，該冷凝水系客戶提供的換熱器正常服役時(shí)用的冷凝水，并非從失效換熱器現(xiàn)場(chǎng)采集。對(duì)冷凝水進(jìn)行氯離子濃度檢測(cè)(表4)，冷凝水中的氯離子含量為425.44 ppm。取冷凝水進(jìn)行板片浸蝕失重測(cè)試，在出水口附近取2片試樣，將冷凝水加熱至80 ℃后進(jìn)行浸泡試驗(yàn)(表5)，每周期試驗(yàn)時(shí)間為48 h，兩周期后試樣表面保持金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，第一周期后失重量?jī)H為0.0001 g，系板片表面污染物失重，第二周期失重量為0 g。

圖5 層狀剝落物質(zhì)EDS分析Fig.5 EDS analysis for material of laminlar spalling

表2 譜圖1處層狀剝落物質(zhì)EDS分析結(jié)果

表3 譜圖3處層狀剝落物質(zhì)EDS分析結(jié)果

表4 水質(zhì)分析結(jié)果

表5 浸蝕失重測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

圖6 板片表面層狀剝落物質(zhì)的XRD譜Fig.6 XRD spectrum for material of laminlar spalling on surface of plate

2 分析與討論

對(duì)失效板片進(jìn)行宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)板片的熱側(cè)(介質(zhì)為冷凝水的一側(cè))發(fā)生部分表面層狀剝落現(xiàn)象，且距離進(jìn)水口越近處發(fā)生剝落現(xiàn)象越嚴(yán)重，剝落層厚度也隨之增加，在進(jìn)水口附近隨著表層層狀物質(zhì)剝落，發(fā)現(xiàn)板片局部已有穿孔現(xiàn)象，見圖2(c)；而熱側(cè)出水口側(cè)的板片未發(fā)現(xiàn)剝落現(xiàn)象且表面仍具有金屬光澤，圖2(d)。板片冷側(cè)(介質(zhì)為純堿的一側(cè))表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕或氧化的異?，F(xiàn)象，圖2(e)。說明板片在冷凝水側(cè)發(fā)生了不均勻的氧化或腐蝕，而越靠近進(jìn)水口該現(xiàn)象越嚴(yán)重，表明發(fā)生腐蝕時(shí)冷凝水循環(huán)不暢通，越靠近進(jìn)水口處氧化或腐蝕的特征越明顯。

對(duì)出水口板片取樣進(jìn)行化學(xué)分析結(jié)果表明，板片成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。進(jìn)水口(層狀剝落部位)和出水口(正常部位處)取樣檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)足以引起板片失效的異常組織或明顯的析出相以及過高的夾雜物級(jí)別。

對(duì)冷凝水側(cè)進(jìn)水口附近層狀剝落物質(zhì)進(jìn)行微觀形貌分析,在板片進(jìn)水口板片表面存在大量氧化產(chǎn)物，表明發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕或氧化，見圖4(a)；在板片出水口位置表面形貌平整，系正常板片金屬表面，見圖4(b)；在層狀剝落物質(zhì)最表面局部位置存在開裂的現(xiàn)象，見圖4(c)，開裂具有穿晶和沿晶走向的混合特征。

對(duì)進(jìn)水口附近的層狀剝落物質(zhì)進(jìn)行EDS分析，其中主要含有大量的Ni、O兩種元素，未發(fā)現(xiàn)氯、硫等元素的存在。對(duì)板片表面層狀剝落物質(zhì)進(jìn)行XRD分析的結(jié)果說明，該層狀剝落物質(zhì)中除基體鎳以外，由一定量鎳的氧化物NiO2、Ni2O3、NiO(OH)所組成。分析冷凝水的水質(zhì)，氯離子含量為425.44 ppm，該含量不會(huì)造成哈氏合金發(fā)生腐蝕[2]，且氯離子主要造成點(diǎn)腐蝕[3-4]，宏觀檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)腐蝕特征。取冷凝水進(jìn)行板片浸蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明該板片在冷凝水中浸泡后未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

綜上所述，金相檢測(cè)、化學(xué)成分分析結(jié)果均符合技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)要求，水質(zhì)分析結(jié)果表明冷凝水不足以引起板片失效。換熱器制造時(shí)所選用材質(zhì)符合要求，正常使用的冷凝水不會(huì)造成板片失效。

冷凝水側(cè)發(fā)生了不均勻的氧化或腐蝕，而越靠近進(jìn)水口該現(xiàn)象越嚴(yán)重，而冷側(cè)無異常，說明板片失效源于熱側(cè)(冷凝水側(cè))，因此對(duì)熱側(cè)發(fā)生氧化或腐蝕的剝落物質(zhì)進(jìn)行形貌分析、EDS和XRD分析。對(duì)板片熱側(cè)剝落物做形貌分析可以發(fā)現(xiàn)板片表面發(fā)生了嚴(yán)重的氧化或腐蝕，進(jìn)一步取樣對(duì)剝落物質(zhì)做EDS分析，發(fā)現(xiàn)該剝落物質(zhì)主要含Ni和O元素，說明板片表面在一定條件下發(fā)生了氧化現(xiàn)象。為了明確剝落物質(zhì)中具體的物相，對(duì)其做XRD分析，確定剝落物質(zhì)除了Ni外，由一定量鎳的氧化物NiO2、Ni2O3、NiO(OH)所構(gòu)成。當(dāng)板片拆卸下來干燥后，Ni(OH)2又轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耆撍a(chǎn)物NiO(OH)[5]，其結(jié)果與EDS和XRD分析結(jié)果一致。宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)冷凝水側(cè)密封墊無破損，且正常運(yùn)行時(shí)，未發(fā)現(xiàn)壓降異常，說明該換熱器在正常服役過程中，冷凝水循環(huán)通暢。

經(jīng)上述分析結(jié)果可認(rèn)為該成型板片失效系客戶在設(shè)備停車時(shí)發(fā)生，停車后未按照要求將換熱器中的介質(zhì)排空并清洗，一方面在停車后換熱器熱側(cè)存在未循環(huán)的冷凝水，另一方面某種強(qiáng)氧化性物質(zhì)誤混入到冷凝水中，由于冷凝水未循環(huán)，導(dǎo)致進(jìn)水口側(cè)強(qiáng)氧化性介質(zhì)的濃度過高，在一定條件下，造成冷凝水進(jìn)口側(cè)發(fā)生氧化，且越靠近進(jìn)水口側(cè)，氧化越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致板片穿孔失效[6]。由于無法提供換熱器失效時(shí)該部位的冷凝水以供檢測(cè)，故難以對(duì)混入物質(zhì)給予定性分析。

3 結(jié)論及建議

造成該板式換熱器板片失效的原因是：設(shè)備在停車后未按照要求將換熱器中的介質(zhì)排空并清洗，且某種強(qiáng)氧化性物質(zhì)混入到冷凝水中，由于冷凝水未循環(huán)，導(dǎo)致進(jìn)水口側(cè)氧化性物質(zhì)的濃度過高，冷凝水進(jìn)口側(cè)發(fā)生氧化，最終造成板片失效。建議板式換熱器在停車后，要按照要求將換熱器中的介質(zhì)排空并進(jìn)行清洗；在板式換熱器發(fā)生泄露后，要注意收集換熱器中當(dāng)時(shí)的運(yùn)行介質(zhì)以供分析。