淺析換熱管在脹接時(shí)開裂的原因

龔道平

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院岳陽分院，湖南 岳陽 414000）

2019年6月下旬，在某壓力容器制造廠監(jiān)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)：一臺(tái)換熱器的多只換熱管（材質(zhì)為09MnD規(guī)格為Φ19*2mm）在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)有泄漏現(xiàn)象，經(jīng)檢查初部確認(rèn)泄漏的部位非焊接部分，而是換熱管本身存在質(zhì)量問題，但換熱管本身在入廠已進(jìn)行水壓、渦流及UT檢測(cè)等各種檢測(cè)試驗(yàn)。為找出泄漏點(diǎn)，確認(rèn)泄漏點(diǎn)形成的原因，決定將換熱器有泄漏的換熱管抽出，對(duì)其先進(jìn)行PT檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)換熱管端部存疑是裂紋的缺陷顯示。隨后對(duì)換熱管器進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)換熱管管壁開裂，裂紋形狀為：內(nèi)表開口大，且向外延伸至穿透（見圖1abc），裂紋位置為液囊脹管位置。從而進(jìn)一步確認(rèn)該次泄漏是由于換熱管產(chǎn)生了裂紋引起的，由此對(duì)換熱管的化學(xué)成分、硬度等進(jìn)行檢測(cè)分析，以確認(rèn)形成裂紋的原因。

1 宏觀形貌

三支典型缺陷的樣管，照片如圖1（a）所示，按圖示的部位進(jìn)行相應(yīng)的分析。將缺陷解剖放大，如圖1（b）所示，缺陷宏觀形貌一致，長度3～5cm。將3支樣管切開，分別進(jìn)行成分分析、壓扁擴(kuò)口試驗(yàn)、室溫拉伸試驗(yàn)及金相檢驗(yàn)，具體如下，試樣編號(hào)見表1。

圖1 宏觀照片

表1 試樣編號(hào)

2 檢測(cè)分析

2.1 化學(xué)成分

采用Spark CCD 6000直讀光譜儀對(duì)低溫用換熱管試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表2所示。可見樣管成分均滿足采購標(biāo)準(zhǔn)NB/T47019-2011要求。

表2 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 室溫拉伸試驗(yàn)

按GB/T228.1-2010要求對(duì)所取樣管進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表3，可見樣管室溫拉伸性能均滿足采購標(biāo)準(zhǔn)NB/T47019-2011要求，尤其延伸率均大于等于40%，可見其塑性較好。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 壓扁試驗(yàn)

按GB/T246-2007要求對(duì)所取樣管進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，壓扁后平板距離H分別為：11mm，壓扁后試樣宏觀照片見圖2所示，可見壓扁后樣管表面均無裂紋0。結(jié)果表明，管材抗縱向開裂和抗環(huán)向開裂能力良好，內(nèi)部及表面無明顯缺陷。

圖2 換熱管壓扁后宏觀照片

2.4 擴(kuò)口試驗(yàn)

按GB/T 242-2007對(duì)所取樣管進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)，擴(kuò)口頂芯錐度為60°，外徑擴(kuò)口率為10%，擴(kuò)口后試樣宏觀照片見圖3所示，可見擴(kuò)口后樣管表面無裂紋。

圖3 試樣擴(kuò)口后宏觀照片

2.5 硬度測(cè)定

為驗(yàn)證管子熱處理交貨狀態(tài)，進(jìn)行了硬度檢測(cè)，其結(jié)果為：173、169和166HBW，符合GB/9948-2013的要求。見圖4和表4。

圖4 硬度檢測(cè)試樣

表4 硬度檢測(cè)

2.6 金相組織

在圖1（a）中標(biāo)識(shí)位置切取金相試樣，橫向磨拋后采用5%的硝酸酒精腐蝕，其金相組織如圖5所示。由圖5可以看出，缺陷均成貫穿性，缺陷及附近基體處的顯微組織均正常；顯微形貌看，缺陷形貌一致，缺陷均起源于管子內(nèi)表面，呈開口狀，晶粒圓潤，表明此處缺陷是管子出廠前就已存在，此處缺陷與管子徑向呈約15°夾角，在接近外表面時(shí)呈V形，且晶粒出現(xiàn)輕微拉長，晶粒拉長位置見圖中標(biāo)識(shí)。

圖5 金相試樣橫向金相組織（40×）

3 結(jié)論

綜合上述試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）低溫?fù)Q熱管的化學(xué)成分、室溫拉伸性能、硬度檢測(cè)、壓扁擴(kuò)口試驗(yàn)等均滿足采購技術(shù)條件NB/T47019-2011要求；且管材本身具有良好的塑性。在進(jìn)行了壓扁實(shí)驗(yàn)后得出結(jié)論，管材抗縱向開裂和抗環(huán)向開裂能力良好，內(nèi)部及表面無明顯缺陷。

（2）上述管子在出廠前就已存在由于晶粒拉長產(chǎn)生的缺陷，在設(shè)備制造過程中，因設(shè)計(jì)要求，換熱管與管板要進(jìn)行強(qiáng)度焊和脹接連接，該缺陷在正常液囊脹壓力（120MPa～140MPa）的作用下開裂擴(kuò)展至貫穿。

（3）不管金屬的斷裂屬于哪種機(jī)理，但裂紋的萌生，擴(kuò)展以及最終的斷裂在晶體學(xué)中只有兩種微觀上的基本途徑，即穿晶斷裂和沿晶斷裂。有時(shí)也有混合型的。

除金相法外，斷口電子顯微形貌（掃描電鏡，SEM）也可直接對(duì)穿晶或沿晶或混合型斷裂途徑直接做出判斷。

斷口在掃描電鏡中的形貌，一般是韌窩、河流狀解理以及準(zhǔn)解理花樣的斷口直接對(duì)應(yīng)的是穿晶斷裂；各種巖石狀和冰糖狀花樣對(duì)應(yīng)的是沿徑斷裂；疲勞輝紋花樣對(duì)應(yīng)的也是穿晶途徑，高溫蠕變斷口是沿晶的但高溫蠕變疲勞斷裂有時(shí)則是沿晶界的疲勞輝紋花樣。

韌窩花樣。韌性斷裂中，斷口形貌主要是韌窩花樣。韌窩深度與夾雜物尺寸和材料優(yōu)良有關(guān)。河流花樣。脆性金屬材料發(fā)生穿晶解理脆斷。準(zhǔn)解理斷口。介于解理與韌窩之間，馬氏體回火組織鋼，貝氏體組織鋼，更多的是在韌性斷裂發(fā)展到快速撕裂階段時(shí)發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂。疲勞條帶（疲勞輝紋）。形貌是肉眼可見的貝殼紋或海灘紋，或是輪胎花樣壓痕。沿晶斷口。呈巖石狀或冰糖花樣，宏觀上也呈脆性斷裂狀。泥狀花樣。平坦，像開裂的泥土。是應(yīng)力腐蝕所形成的。技術(shù)檢測(cè)分析之后，然后確定失效形式，確定失效類型，確定失效原因（可考慮設(shè)計(jì)因素，應(yīng)力因素，材料因素，制造因素，環(huán)境因素等）。

4 措施

（1）控制晶粒大小。晶粒大小對(duì)金屬的性能有重要影響。常溫條件下，晶粒越細(xì)小，其強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。由于實(shí)驗(yàn)表明該次缺陷系晶粒拉長所造成，而晶粒長大的實(shí)質(zhì)是一種晶界的位移，溫度、分散相粒子、雜質(zhì)與微量合金元素都會(huì)造成這種位移。為防治此類現(xiàn)象，特提出從下列兩點(diǎn)建議來控制晶粒大?。孩僭龃筮^冷度，增大過冷度可提高晶核形成率與晶核成長率的比值，有利于晶粒細(xì)化。②變質(zhì)處理，加入變質(zhì)劑（某些合金），造成更多的非自發(fā)晶核的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)，這樣可以在很大程度上增加晶核數(shù)目，從而提高形核率來細(xì)化晶粒。

（2）選擇合適的焊接工藝。在生產(chǎn)過程中，除了應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、板厚、性能等基本要求外，由本例看出還應(yīng)注意分別確定最深、最淺的裂紋位置，根據(jù)不同的裂紋深度選擇合適的焊接工藝。

（3）在使用改換的換熱管前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行上述化學(xué)成分分析、室溫拉伸試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)、擴(kuò)口試驗(yàn)、硬度測(cè)定、金相組織分析等一系列分析檢測(cè)，根據(jù)給定的工藝設(shè)計(jì)條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在確保安全的前提下，經(jīng)濟(jì)正確的選擇材料。在確定各項(xiàng)均符合各類標(biāo)準(zhǔn)要求后，方能使用新管。