316L不銹鋼板式換熱器泄漏原因

吳建華, 李平平, 李玉新, 吳 特

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司, 常州 213011；2.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 江安機(jī)務(wù)段， 武漢 430301)

板式換熱器是由許多波紋形的傳熱板片按一定間隔、通過橡膠墊片壓緊組成的可拆卸的換熱設(shè)備，工作過程中，相鄰?fù)ǖ乐袃煞N不同流體形成的逆流或順流通過板片進(jìn)行熱量的交換[1]。板式換熱器具有換熱效率高、物料流阻損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、溫度控制靈敏、操作彈性大、裝拆方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前板片通常采用奧氏體不銹鋼、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金等材料經(jīng)冷沖壓成形制備[2-6]。

某廠生產(chǎn)的板式換熱器材料為316L不銹鋼，熱側(cè)為高溫水蒸氣(200～300 ℃)，冷側(cè)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaOH(20～100 ℃)，設(shè)計(jì)壽命為30 a(年)，在使用約半年后陸續(xù)出現(xiàn)小批量泄漏事故。為找到該批次板式換熱器的泄漏原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)及分析，并提出了有效的改進(jìn)和預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖1為泄漏板片的宏觀形貌，可見泄漏位于板片冷沖壓成形過程中變形最大的波峰和波谷處，且泄漏處有裂紋和凹坑存在，部分裂紋局部穿過凹坑。泄漏部位及周圍未見明顯塑性變形、磕碰擦傷等異常損傷情況，裂紋表現(xiàn)為脆性開裂特征。

圖1 泄漏板片宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of leakage plate：a) overall morphology; b) leakage position morphology at wave crest and wave trough

1.2 掃描電鏡和能譜分析

在圖1b)箭頭所指部位取樣清洗后用掃描電鏡進(jìn)行表面形貌分析，并用能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析。圖2為試樣表面泄漏部位的低倍微觀形貌，可見網(wǎng)狀裂紋和凹坑，裂紋呈分叉狀穿過部分凹坑，整體與宏觀形貌一致。圖3是泄漏部位局部高倍微觀形貌和能譜分析結(jié)果，可見凹坑中和裂紋中均有腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物中含有較多的Cl-和S2-等腐蝕介質(zhì)。

圖2 不同表面泄漏部位低倍微觀形貌Fig.2 Micro morphology of different surface defects at low magnification：a) position 1; b) position 2

將圖2a)中長(zhǎng)裂紋打開進(jìn)行觀察，斷口微觀形貌如圖4所示?？梢娏鸭y源區(qū)位于凸起側(cè)表面，被厚厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，形貌難以觀察；裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌以穿晶解理和二次裂紋為主。

1.3 金相檢驗(yàn)

沿表面腐蝕較為嚴(yán)重處切割取縱向試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖5所示?？梢姀澢砻?波峰)存在多處深淺不一的腐蝕坑，裂紋多從腐蝕坑底部呈放射狀擴(kuò)展，有的裂紋擴(kuò)展至另一面而裂透(裂透部位發(fā)生泄漏)，有的裂紋擴(kuò)展相對(duì)較淺。此外，彎曲表面缺陷部位由于受力產(chǎn)生較大變形，其晶粒被拉長(zhǎng)，因而會(huì)產(chǎn)生一定的形變硬化現(xiàn)象。心部基體顯微組織為奧氏體，晶粒度8.0級(jí)。結(jié)合電鏡分析結(jié)果可綜合判斷板片開裂處具有應(yīng)力腐蝕特征[7]。

圖5 泄漏板片不同部位的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of different positions of leakage plate:a) polished morphology of cracked position; b) microstructure morphology of cracked position; c) deformation structure of cracked position;d) microstructure morphology of core matrix

1.4 顯微硬度檢測(cè)

對(duì)泄漏板片縱截面彎曲表面的晶粒拉長(zhǎng)變形區(qū)(波峰)與正?；w部位(1/2高度處)分別進(jìn)行了顯微硬度檢測(cè)，缺陷附近的顯微硬度為380～390 HV0.3，正?；w部位的顯微硬度為270～280 HV0.3,可見缺陷附近晶粒拉長(zhǎng)變形部位的顯微硬度較基體晶粒正常部位的高約110 HV0.3。

1.5 殘余應(yīng)力分析

圖6為板片加工殘余應(yīng)力模擬示意圖，可知波峰和波谷(開裂位置)殘余拉應(yīng)力為40 MPa，明顯高于正常應(yīng)力狀態(tài)(小于15 MPa)，資料[8-9]指出,穿晶應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生主要與在應(yīng)力作用下環(huán)境介質(zhì)誘發(fā)的解理開裂有關(guān)，裂紋的擴(kuò)展則是在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用下進(jìn)行的，而足夠的應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必備條件，且拉應(yīng)力越大，金屬材料發(fā)生斷裂的時(shí)間越短。

圖6 板片殘余應(yīng)力模擬示意圖Fig.6 Simulation diagram of plate residual stress

2 分析與討論

根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，板片泄漏位置主要在波峰和波谷處，無明顯塑性變形，呈脆性開裂特征，裂紋以穿晶解理形貌為主，整體表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕開裂[10-11]。一般應(yīng)力腐蝕的必備條件包括特定材料、應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)3個(gè)方面，在材料確定的情況下，后兩者顯得尤為重要。其中應(yīng)力因素多以拉應(yīng)力為主[12]。通常情況下，拉應(yīng)力主要來自材料的加工和使用過程，大致分為工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力4種類型，研究[13-14]表明，冷加工產(chǎn)生的表面殘余拉應(yīng)力是奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因之一，也是該板片中的應(yīng)力類型。其次，熱蒸汽側(cè)腐蝕產(chǎn)物中檢測(cè)到Cl-和S2-等腐蝕介質(zhì)，尤其Cl-的存在，是關(guān)鍵的環(huán)境因素。此外，溫度也是影響應(yīng)力腐蝕的重要因素，板片熱側(cè)為高溫蒸汽，隨溫度的升高，腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散速率增大，引起腐蝕介質(zhì)濃度的下降，即316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)明顯增大[15]。在上述多重因素的綜合作用下，316L不銹鋼板片最終發(fā)生了早期應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 316L不銹鋼板片的開裂泄漏為應(yīng)力腐蝕開裂。

(2) 冷加工產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力和環(huán)境中存在Cl-，導(dǎo)致殘余應(yīng)力較大的波峰和波谷處產(chǎn)生裂紋和腐蝕坑，是造成板片發(fā)生早期失效的主要原因，而高溫工作環(huán)境加速了點(diǎn)蝕的產(chǎn)生及裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終板片發(fā)生泄漏。

(3) 建議改進(jìn)板片的加工方式，增加去應(yīng)力處理工序，同時(shí)嚴(yán)格監(jiān)控Cl-的濃度，必要時(shí)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。