板式換熱器泄漏原因

申志清, 姜成利, 王 飛

[通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(青島)有限公司, 青島 266000]

板式換熱器主要是隔離兩側(cè)介質(zhì)，起熱量交換作用。板式換熱器換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中[1]。某熱力公司的板式換熱器在運(yùn)行1 a(年)后發(fā)生早期泄漏，該板式換熱器材料為06Cr19Ni10鋼，運(yùn)行壓力為0.5～1.0 MPa，溫度為20～100 ℃，循環(huán)介質(zhì)是水，不同板式換熱器之間采用橡膠膠條進(jìn)行隔離。為了查明該起泄漏事故發(fā)生的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

在板式換熱器上取樣，采用斯派克MAXxLMM15型直讀光譜儀按照GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對(duì)其材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知,該換熱器材料的化學(xué)成分符合GB/T 4237-2015《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》中對(duì)06Cr19Ni10鋼的成分要求。

表1 板式換熱器材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the plate heat exchanger material (mass fraction) %

1.2 宏、微觀觀察

泄漏點(diǎn)的宏觀形貌如圖1所示，可見泄漏主要由點(diǎn)狀穿孔導(dǎo)致，泄漏點(diǎn)位于沖壓成型的底部位置。采用VEGA3 TESCAN型掃描電鏡對(duì)泄漏點(diǎn)的微觀形貌進(jìn)行觀察，如圖2所示，可見泄漏點(diǎn)主要呈現(xiàn)沿晶開裂形貌，并且在部分區(qū)域的晶界上發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)蝕坑[2-3]。

圖1 板式換熱器宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the plate heat exchanger: a) overall morphology; b) leakage point location; c) macro morphology of the leakage point; d) macro morphology of inner surface of the leakage point

圖2 泄漏點(diǎn)處的微觀形貌Fig.2 Micro morphology at the leakage point

1.3 能譜分析

采用能譜分析儀對(duì)泄漏點(diǎn)附近的微區(qū)成分進(jìn)行分析，分析位置如圖3所示，分析結(jié)果見表2，結(jié)果表明附著物含有很高氯、納、鉀、氮等元素。

圖3 EDS分析位置Fig.3 EDS analysis locations

表2 泄漏點(diǎn)處的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results at the leakage point (mass fraction) %

1.4 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，從板式換熱器靠近泄漏點(diǎn)附近及遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)附近取樣，經(jīng)過鑲嵌研磨、拋光后使用Curran 試劑腐蝕，然后采用IMAGER.A2M型蔡司顯微鏡對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)。板式換熱器材料的顯微組織主要為奧氏體+少量δ鐵素體，如圖4所示。遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)處部分區(qū)域表面存在腐蝕坑，腐蝕坑深度約為58.8 mm，如圖5所示。

圖4 近泄漏點(diǎn)處顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology near the leakage point

圖5 遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)處顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology far away from the leakage point

1.5 非金屬夾雜物分析

根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，從換熱器泄漏點(diǎn)附近取樣，經(jīng)過鑲嵌、研磨、拋光后采用IMAGER.A2M型蔡司顯微鏡對(duì)其進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3可知其非金屬夾雜物含量較少。

表3 非金屬夾雜物分析結(jié)果Tab.3 Non-metallic inclusions analysis results 級(jí)

1.6 硬度測試

依據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)近泄漏點(diǎn)位置和遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)位置進(jìn)行維氏硬度分析，分析結(jié)果見表4。由GB/T 4237-2015可知，對(duì)于06Cr19Ni10鋼，其維氏硬度不應(yīng)超過210 HV0.3。由表4可知，近泄漏點(diǎn)處硬度為201～203 HV0.3，遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)處的硬度為186～189 HV0.3，表明板式換熱器的硬度均未超過要求值。但是通過比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)近泄漏點(diǎn)處的硬度略高，這說明該處出現(xiàn)了輕微的材料硬化現(xiàn)象。

表4 硬度測試結(jié)果Tab.4 Hardness test results HV0.3

1.7 水質(zhì)分析

由于泄漏點(diǎn)部分區(qū)域存在較多的氯元素，所以從水池里采集了正在使用的水以及剛軟化的新水進(jìn)行水質(zhì)分析，新水透明且無雜質(zhì)，而水池中使用的水較渾濁，分析結(jié)果見表5。由表5可知，水池中正在使用的水導(dǎo)電率明顯高于新水，氯化物含量則高了約39倍。

表5 水質(zhì)分析結(jié)果Tab.5 Water quality analysis results

1.8 固定膠條氯元素含量分析

從板式換熱器不銹鋼板上截取固定膠條，采用X射線熒光光譜分析儀對(duì)其進(jìn)行成分分析，未發(fā)現(xiàn)氯元素的存在。

2 分析與討論

該板式換熱器使用的不銹鋼板材化學(xué)成分無異常，顯微組織均為奧氏體+少量δ鐵素體，符合06Cr17Ni10鋼的組織特征，非金屬夾雜物也較少，硬度雖然有輕微硬化但是均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此可以基本排除不銹鋼材料異常導(dǎo)致泄漏的可能性。

由宏、微觀分析結(jié)果可知，泄漏處主要呈現(xiàn)點(diǎn)狀泄漏，微觀形貌主要是沿晶開裂形貌，同時(shí)遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)的其他部位也發(fā)現(xiàn)了細(xì)小的點(diǎn)蝕坑。能譜分析結(jié)果表明泄漏點(diǎn)處存在大量的氯元素，考慮到氯元素在不銹鋼中含量較低，所以這些元素主要來源于不銹鋼的接觸物質(zhì)。板式換熱器的接觸物質(zhì)主要是固定膠條和循環(huán)水，而固定膠條中未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素氯，因此可以確定氯元素主要來源于循環(huán)水中，循環(huán)水的檢測結(jié)果也驗(yàn)證了此結(jié)論。

通常試壓水和使用水中的氯離子含量不應(yīng)超過25 mg·L-1[4]，但是根據(jù)分析結(jié)果可知，水池中正在使用的水的氯化物含量為157.2 mg·L-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了要求值。氯元素具有很強(qiáng)的穿透能力，會(huì)破壞甚至穿透表面鈍化膜，這些被破壞的鈍化膜處就會(huì)形成點(diǎn)蝕源。點(diǎn)蝕孔一旦形成，蝕孔的內(nèi)表面就會(huì)處于活性狀態(tài)，電位較負(fù)，成為陽極，而蝕孔的外表面仍然處于鈍化狀態(tài)，電位較正，成為陰極，此時(shí)蝕孔內(nèi)外形成活化-鈍化的微電池，點(diǎn)蝕孔內(nèi)和孔外發(fā)生的反應(yīng)如式(1)和式(2)所示。此電池呈現(xiàn)大陰極小陽極的特點(diǎn)，因此陽極的腐蝕速度會(huì)比較快，點(diǎn)蝕孔向內(nèi)部腐蝕擴(kuò)展的速度也會(huì)較快，隨著腐蝕程度的加深，最終造成穿孔泄漏[4-5]。

點(diǎn)蝕孔外

O2+2H2O+4e-→4OH-

(1)

點(diǎn)蝕孔內(nèi)

Fe→Fe2++2e-

(2)

3 結(jié)論及建議

循環(huán)水水質(zhì)異常，里面含有的高氯化物使板式換熱器不銹鋼板產(chǎn)生點(diǎn)蝕，隨著點(diǎn)蝕程度增加，最終導(dǎo)致板式換熱器穿孔泄漏。

建議定期更換循環(huán)水，凈化水質(zhì)，避免水中氯化物含量超標(biāo)。