板式換熱器失效分析研究

摘 要：采用掃描電鏡（SEM）觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗（OM）和X射線衍射（XRD）等方法，從斷口的形貌、材料成分、微觀組織等角度，對板式熱交換器片出現(xiàn)大量裂紋的樣品進(jìn)行系統(tǒng)分析。研究結(jié)果表明，對熱交換器板片的腐蝕產(chǎn)物和裂紋進(jìn)行研究分析與試驗，造成失效的關(guān)鍵因素是板片長期處于循環(huán)介質(zhì)中，氯離子和硫離子含量較多，因為受較高的密封槽殘余應(yīng)力的作用，所以發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效。

關(guān)鍵詞：板式換熱器；316L不銹鋼；應(yīng)力腐蝕；失效分析研究

中圖分類號：TG 319" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

板式換熱器是一種比其他類型換熱器具有一定使用優(yōu)勢的高新先進(jìn)設(shè)備[1]，例如傳熱系數(shù)高、占地面積小、價格便宜、質(zhì)量輕、結(jié)垢系數(shù)低、便于清洗、熱面積更換容易等。板式熱交換器現(xiàn)在在石油、電力、化工、建筑采暖、食品飲料等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。由于板式熱交換器的使用時間過長，導(dǎo)致機器無法正常工作，部分零件逐漸老化或損壞。因此，要對板式熱交換器的故障原因進(jìn)行分析，根據(jù)具體因素采取相關(guān)措施。

例如，板式換熱器的結(jié)垢現(xiàn)象使傳熱裝置的傳熱系數(shù)不斷下降，嚴(yán)重時，將導(dǎo)致板片的通道發(fā)生堵塞。介質(zhì)中的鈣鎂離子通過適當(dāng)溫度析出后，易附在污垢積瘤上，最終變成蜂窩狀的垢瘤[2]。此外，還有板式換熱器的泄漏，通常情況下，板式換熱器出現(xiàn)泄漏的原因主要包括以下3個方面：首先，板式換熱器運行時的溫度太高或者受到物質(zhì)材料的壓力影響，進(jìn)而發(fā)生泄漏[3]。其次，由于換熱器的墊片使用時間長，逐漸出現(xiàn)老化或者裂紋等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致儀器失效。最后，板片發(fā)生持久的變形，難以緊固墊片。對此，在發(fā)現(xiàn)墊片的封閉失效后，應(yīng)及時取出板式換熱器，查看問題及檢修[4]。

故障設(shè)備為內(nèi)程一面為堿液、外程為Al2O3煙氣的板式熱交換器板片、不銹鋼316L板片。該換熱器板片在內(nèi)程堿液一側(cè)出現(xiàn)裂紋，為查明板片開裂原因，避免類似情況重復(fù)發(fā)生，對此板式換熱器板片進(jìn)行失效分析[5]。其中，原液組分見表1。

1 理化檢測與分析

1.1 宏觀分析

開裂片1堿液面形態(tài)、煙氣面形態(tài)分別如圖1、圖2所示。開裂片2堿液面形態(tài)、煙氣面形態(tài)分別如圖3、圖4所示。

從宏觀上觀察，由圖1、圖3可以看出，開裂不銹鋼板片的堿液一側(cè)板片表面覆蓋大量暗黑色垢層，有部分深褐色腐蝕痕跡，不銹鋼板片發(fā)生裂紋的內(nèi)程表面有明顯裂紋，表面產(chǎn)生裂紋；裂紋長寬不成比例，相差幾個數(shù)量級，且擴展方向與主應(yīng)力方向垂直，主裂紋已穿透板片，部分區(qū)域有細(xì)小裂紋但未穿透[6]，開裂部位均為板片冷加工變形處，裂紋主要沿板片冷加工變形應(yīng)力集中處走向，有明顯分叉現(xiàn)象，局部有二次裂紋，裂紋附近無明顯塑性變形，且裂紋較小。由圖2、圖4可以看出，在外程表面存在白色片狀的垢層，未發(fā)現(xiàn)裂紋和穿孔。

宏觀觀察表明，換熱器板片材料裂紋處沒有明顯變形現(xiàn)象，其臨近材料部位也沒有脆性跡象。熱板片換堿液的一面發(fā)生腐蝕，板片裂紋具有應(yīng)力腐蝕的基本特征，可能與板片密封部位的冷沖壓模有較高的殘余應(yīng)力性有關(guān)，還需要對堿液的化學(xué)成分、墊片和板片的相互作用因素進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗[7]。

1.2 微觀分析

采用線切割在板片截面上切割試樣，采用掃描式電子顯微鏡觀察斷口微觀形貌，發(fā)現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋在斷口表面（如圖5所示 ）。并且出現(xiàn)準(zhǔn)解理破壞特征，在裂紋延伸方向可見許多羽毛狀結(jié)構(gòu)（如圖6所示）。斷口表面存在腐蝕臺階和紋路，晶粒明顯且出現(xiàn)沿晶二次裂紋（如圖7所示）。斷口表面出現(xiàn)撕裂棱和穿晶二次裂紋（如圖8所示）。

通過掃描電鏡對斷口進(jìn)行分析，觀察在斷口上出現(xiàn)準(zhǔn)解理花樣及二次裂紋、腐蝕臺階等具有應(yīng)力腐蝕開裂的微觀形貌特征。產(chǎn)品使用過程中，材料在腐蝕介質(zhì)與本身存在的應(yīng)力交叉作用下，容易引起裂紋的萌生與擴展，這種失效形式是應(yīng)力腐蝕開裂，主要由應(yīng)力與腐蝕共同作用引起的。產(chǎn)品在產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時，失效局部應(yīng)力大小并不明顯；同時，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕強度并不高，也是由于這個原因，應(yīng)力腐蝕往往不被重視。

1.3 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析取熱交換器板片上的樣品，分析結(jié)果見表2。

從檢測結(jié)果可以看出，根據(jù)GB/T 14976—2002中316L奧氏體不銹鋼中規(guī)定的范圍，各元素的含量均處于標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

奧氏體不銹鋼中的Ni、Cr是一種能提高不銹鋼耐蝕性和工藝性能的元素，形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)。而奧氏體不銹鋼中過低的Ni、Cr含量會對抗腐蝕性能造成不良影響。測試結(jié)果表明，原材料的元素含量符合GB/T 14976—2002中316L奧氏體不銹鋼中規(guī)定的元素含量。

1.4 金相檢驗

在發(fā)生斷裂失效板片樣品的無裂紋部位、有裂紋部位用線切割加工出2組塊狀試樣。每個試樣進(jìn)行鑲嵌、粗磨、精磨和拋光后，用王水侵蝕制備成金相試樣，并在萊卡金相顯微鏡下觀察。從圖9（a）、圖9（b）可以看出，板片未腐蝕部位試樣的金相組織形貌正常，能看到均勻的奧氏體組織，有些晶粒上的黑色小點為碳化物。

在板片腐蝕較輕部位，內(nèi)程（NaOH溶液側(cè)）有輕度腐蝕坑，部分腐蝕坑下出現(xiàn)裂紋并延伸，腐蝕孔附近金相組織正常；外程（氧化鋁煙氣側(cè)）金相組織正常。

由圖10可以看出，開裂處存在穿晶、沿晶混合型裂紋，裂紋由內(nèi)程表面開裂，呈樹枝狀垂直板面向內(nèi)延伸，其他部位金相組織正常。材料基體為奧氏體組織，晶粒形態(tài)均一，大小均勻，金相組織正常，無脫碳層、晶粒增大等現(xiàn)象。腐蝕坑與裂紋都在內(nèi)程NaOH溶液側(cè)產(chǎn)生，因此腐蝕的產(chǎn)生可能是由循環(huán)冷卻水里所含的Cl和S導(dǎo)致的。

裂紋萌生于外部端面，同時板片的厚度沒有因腐蝕的作用變薄，裂紋分布密集、整體樣貌為樹枝狀且分枝明顯，擴展走向為穿晶擴展，斷口形式是脆性斷裂。腐蝕產(chǎn)物檢測到大量的氯離子，非常符合應(yīng)力腐蝕的特征表現(xiàn)。

1.5 斷面能譜分析與垢層X射線衍射分析

能譜分析結(jié)果見表3。

從圖11的檢測結(jié)果可以看出，更多的Cl元素和S元素在斷口表面和堿液垢層中被檢測出，可以判斷Cl離子來自堿液。因為板片表面的結(jié)垢層在堿液的一側(cè)。輸送堿液的碳鋼管道腐蝕造成堿液在長期循環(huán)過程中濃縮有害的S離子，再加上含有硫化劑的密封橡膠墊片和密封膠料的組分，造成Cl離子和S離子在長時間的200℃工作溫度下和腐蝕介質(zhì)中逐漸老化并析出。對奧氏體不銹鋼來說，在含有Cl離子和S離子的介質(zhì)中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，Cl離子和S離子超標(biāo)，就會在循環(huán)冷卻的水中造成板件應(yīng)力腐蝕。

2 原因分析與討論

失效產(chǎn)生的誘因為Cl-，并且當(dāng)堿液中Mg2+含量超過閾值時，垢層在板片疊層接觸點區(qū)域沉積，當(dāng)這些區(qū)域內(nèi)的Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.1%時，形成縫隙腐蝕，當(dāng)次氯酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.15%時，對不銹鋼的腐蝕更嚴(yán)重。因為換熱器內(nèi)中會有較多的回流區(qū)和沖刷死角，縱然絕大部分區(qū)域Cl-含量較低，符合檢測標(biāo)準(zhǔn)，但不可避免會有少部分區(qū)域可能達(dá)到發(fā)生腐蝕的條件（形成了腐蝕）。對穿孔處試樣進(jìn)行結(jié)垢化驗，其氯的含量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常區(qū)域。在應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)的過程中電化學(xué)同步出現(xiàn)導(dǎo)致裂紋的萌生和擴展，由于板式換熱器的溝槽等局部容易存在雜質(zhì)聚集，從而導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)的產(chǎn)生。在腐蝕介質(zhì)不斷的電解剝離材料表面氧化及鈍化層時會產(chǎn)生不同程度的點蝕缺陷。因此，裂紋擴展的機理研究與材料科學(xué)及斷裂力學(xué)密不可分，影響因素主要有材料的腐蝕裂紋敏感性和工作工況條件。

在換熱器的制造過程中，板片的加工一般為模具沖壓而成，通常這種加工方式?jīng)]有熱源影響，因此對腐蝕電位幾乎沒有影響，但是冷加工容易造成點蝕的密度上升[8]。在沖壓成型過程中，變形區(qū)域的位錯密度增加，這使點蝕坑的形成有了良好環(huán)境。同時，板片在裝配的時候，產(chǎn)生的紋路突出區(qū)域會容易先接觸裝配壓力，使表面鈍化膜消失，從而在該位置容易產(chǎn)生點蝕。并且換熱器板片中的沖壓紋路突出區(qū)域是沖壓過程中加工變形最大的區(qū)域，且有發(fā)生縫隙腐蝕的風(fēng)險，因此點蝕坑幾乎集中在該紋路的區(qū)域。由此可以得出，該板式換熱器板片由沖壓形成應(yīng)力集中，最終由Cl-和S2-引起應(yīng)力腐蝕，進(jìn)而造成失效。

3 結(jié)語

預(yù)防應(yīng)力腐蝕主要應(yīng)從材料的選擇、應(yīng)力的消除、腐蝕的減輕等方面著手。與應(yīng)力腐蝕敏感物質(zhì)對應(yīng)的，應(yīng)盡量按物質(zhì)使用的具體環(huán)境使用板墊片的黏結(jié)劑，不要使用過期的黏結(jié)劑和含有氯根的黏結(jié)劑，防止因析出Cl-離子而引起的腐蝕，在板式換熱器中，可采用轉(zhuǎn)換膜技術(shù)，使表面的抗腐蝕性得到提高；嚴(yán)格控制介質(zhì)中硫和Cl-的含量；應(yīng)采用合理的工藝設(shè)計，避免殘液和堆積物的滯留；同時，根據(jù)實際情況，采取降低應(yīng)力腐蝕敏感性的措施（例如噴丸處理和錘擊等），例如熱處理、水壓試驗、振動時效消除殘余應(yīng)力等；也可在介質(zhì)中加入可使自然電位降至臨界裂變電位的緩蝕劑，使表面形成保護(hù)膜，起到防止應(yīng)力腐蝕的作用。設(shè)計和制造時盡量考慮應(yīng)力腐蝕工況，選用適當(dāng)?shù)姆栏g措施，從而避免了在服役期間因腐蝕而造成板式熱交換器的損壞，進(jìn)而延長使用壽命。

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