板式換熱器板片失效分析

孔文彬，馬小明，江 楠

(華南理工大學化工機械與安全工程研究所，廣東廣州 510640)

0 引言

板式換熱器是一種結構緊湊、性能高效的換熱設備。由于具有換熱效率高(其傳熱系數比管式換熱器高3～5倍)、占地面積小(為管式換熱器的1/3)、板片形式多、組裝靈活、拆卸清洗檢修方便等特點，板式換熱器被廣泛應用在石油、化工、食品等各個行業，并取得較好的經濟效益［1］。板式換熱器主要的失效形式有密封失效、腐蝕失效、斷裂失效和結垢堵塞［2－3］。

文中所分析的失效設備為某化工廠A305板式換熱器(甲醇冷凝器)，其板片密封槽開裂，換熱板材質為304不銹鋼(相當于國內牌號的06Cr19Ni10)。一側介質為冷卻水，進口溫度26℃，出口溫度34 ℃，工作壓力0.15 ～0.3 MPa;另一側為甲醇蒸氣，進口溫度80℃，出口溫度50℃，工作壓力0.015～0.03 MPa。為了查明板片開裂原因，避免類似情況重復發生，對此板式換熱器板片進行了失效分析。

1 理化檢測與分析

1.1 宏觀分析

從宏觀上觀察，發生開裂的不銹鋼板片，其冷卻水一側板片表面覆蓋著大量淺黃色垢層，有部分深褐色腐蝕痕跡，未發現裂紋和穿孔(見圖1);而甲醇蒸汽一側表面光亮，未發現垢狀物、裂紋及穿孔(見圖2);在密封槽上存在明顯的裂紋，裂紋主要沿板片密封槽走向，有明顯的分叉現象，局部有二次裂紋，裂紋附近沒有明顯的塑性變形(見圖3);對裂紋部分取樣打磨后發現有點腐蝕存在，腐蝕坑由冷卻水側向甲醇蒸汽側延伸(見圖4)。

圖1 開裂板片冷卻水側形貌

圖2 開裂板片甲醇蒸汽側形貌

宏觀觀察表明，換熱板片冷卻水側發生點腐蝕，腐蝕源于水側;板片裂紋具有應力腐蝕的基本特征，這可能與板片密封部位冷沖壓成型具有較高的殘余應力、冷卻水的化學成分、墊片和板片的相互作用等因素有關，需進一步檢驗。

圖3 板片裂紋形貌

圖4 裂紋部位腐蝕孔形貌

1.2 微觀分析

在板片斷面用線切割切取試樣，用掃描式電子顯微鏡進行斷口微觀形貌觀察。發現斷口表面覆蓋大量的腐蝕產物(見圖5);斷口表面存在泥狀花樣微觀形貌(見圖6);斷口表面呈現出不同位向的晶粒多面體外形的冰糖塊狀花樣，晶粒明顯，且觀察到沿晶二次裂紋(見圖7)和穿晶二次裂紋(見圖8);斷口表面具有準解理花樣，稍有撕裂嶺(見圖9)。

圖5 斷口表面的腐蝕產物

圖6 斷口表面泥狀花樣形貌

圖7 冰糖塊狀花樣及沿晶二次裂紋

圖8 穿晶二次裂紋

圖9 準解理面及撕裂嶺

微觀分析表明，斷口上發現泥狀花樣、冰糖塊狀花樣、準解理花樣及二次裂紋，具有應力腐蝕的微觀形貌特征。

1.3 化學成分分析

從換熱器板片上取樣進行化學成分分析，分析結果見表1。

表1 板片化學成分%

從測量結果可以看出，除Si質量分數較高和Ni質量分數略微偏低以外，其余各元素的含量均處于GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》中304奧氏體不銹鋼中規定的范圍內［4］。

Si含量偏高會提高材料冷變形加工硬化率，降低焊接性能，易導致冷脆［5］。Ni在不銹鋼中是形成奧氏體晶體結構的元素，能改善不銹鋼的耐蝕性和工藝性能。Ni含量偏低會對奧氏體不銹鋼的抗腐蝕性能產生不利影響。

1.4 斷面能譜分析與垢層X射線衍射分析

取斷口微觀分析試樣和換熱板外表面覆蓋層分別進行微區能譜分析與垢層衍射分析，結果見表 2，3。

表2 能譜分析結果%

由檢測結果可以看出，斷口表面和板片冷卻水側表面垢層都檢測出較多的Cl元素和S元素。由于板片表面結垢層位于冷卻水側，故可以判斷Cl－來源于工廠所用的循環冷卻水。輸送冷卻水的碳鋼管道發生的腐蝕造成了冷卻水長期循環過程中有害S2－的濃縮［6］。此外，密封橡膠墊片和密封膠材料組成中含有硫化劑，長期處于高溫和腐蝕介質中逐漸老化析出含 Cl－，S物質［7］。對奧氏體不銹鋼，在含有Cl－，S2－的介質中容易發生應力腐蝕，循環冷卻水中Cl－，S2－偏多導致板片的應力腐蝕。

1.5 金相檢驗

從換熱器板片上選擇具有代表性的部位取樣進行金相檢驗。檢驗發現未腐蝕部位試樣的金相組織形貌正常，可見均勻的奧氏體組織，部分晶粒呈孿晶分布，其上黑色小點為碳化物(見圖10);靠近板片冷卻水側腐蝕較嚴重的試樣斷口附近的表面粗糙不平，有金屬顆粒脫落，金相組織正常，未發生變化(見圖11);腐蝕嚴重部位的腐蝕孔下存在穿晶型裂紋，裂紋呈樹枝狀，其他部位金相組織正常(見圖12)。

圖10 未腐蝕部位金相組織 1000×

金相檢驗表明:材料為典型的奧氏體組織，晶粒形態均一，部分晶粒呈孿晶分布。金相組織正常，未觀察到脫碳層、晶粒增大等現象。發生失效的部位明顯存在不同程度的腐蝕孔和穿晶型裂紋，腐蝕孔與裂紋都是從冷卻水側產生。

圖11 冷卻水側腐蝕部位金相組織 500×

圖12 腐蝕孔下裂紋形貌

1.6 板片殘余應力測試

在換熱器板片的換熱面和密封槽選取測試區，每個測試區選取8個點進行殘余應力測試。測試結果見表4。

表4 殘余應力測試結果

測試結果顯示，密封槽上的殘余應力主要是拉伸應力，拉伸應力平均值185 MPa，少數點測出壓應力，壓應力平均值－100.5 MPa，說明密封面上以殘余拉應力為主，局部存在壓應力，而拉應力數值明顯大于壓應力;在熱交換面上的殘余應力全部是拉應力，拉應力平均值73.3 MPa，沒有測試點測出壓應力。兩測試面相比較，密封槽上的殘余應力明顯大于熱交換面。因此，應力腐蝕開裂主要是由于殘余拉應力引起的，裂紋全部集中在密封面上，測量結果與宏觀觀察結果相符。

2 原因分析與討論

上述理化檢測結果表明，換熱器板片冷卻水側換熱面發生點腐蝕，點腐蝕造成密封槽腐蝕開裂，裂紋呈樹枝狀，無明顯的塑性變形;斷口表面微觀分析成泥狀、冰糖塊狀、準解理花樣，存在沿晶和穿晶腐蝕二次裂紋;金相檢驗材料為典型的奧氏體組織結構，晶粒形態均一，部分晶粒呈孿晶分布，裂紋源于冷卻水側，具有典型應力腐蝕的基本特征。

腐蝕產物中檢測出較多的Cl元素和S元素，證明循環冷卻水介質中存在Cl－和S2－。奧氏體不銹鋼在含有Cl－和S2－的溶液中易發生點腐蝕，在應力作用下易發生應力腐蝕［8－9］。密封墊和密封槽之間存在縫隙，Cl－和S2－在縫隙處聚集濃縮，進一步加深了應力腐蝕開裂。

密封槽和換熱面均存在殘余拉應力，密封槽上殘余應力較大，隨著板片工作時間的增加，加上工作熱應力的影響，在密封槽上發生了應力腐蝕破裂。另外，換熱板材料Si含量較高和Ni含量略微偏低。Si含量偏高易導致冷脆，Ni含量偏低降低了不銹鋼的抗腐蝕能力。

3 結論與建議

綜上所述，換熱器板片腐蝕孔與裂紋均源于冷卻水側，其失效的主要原因是密封槽存在較高的殘余應力，板片長期處在含有較多Cl－和S2－的循環介質中發生了應力腐蝕破裂所致。此外，板片材料的缺陷降低了其耐蝕性。

304不銹鋼在冷加工量較大時易導致奧氏體中出現變形馬氏體組織，硬度明顯增大，對應力腐蝕更敏感。

建議改用316L，它不易出現馬氏體相，可以延緩應力腐蝕的發生。

［1］徐云武，黃長山，吳晉英，等.板式換熱器的清洗［J］.清洗世界，2010，26(1):39 －43.

［2］郭德順.板式換熱器失效的主要因素及防范對策［J］.化工進展，2001，(2):52 －54.

［3］董雷云，劉長軍，潘緝悌.板式換熱器不銹鋼板片失效分析［J］.壓力容器，2005，22(5):50 －52.

［4］GB/T 20878—2007，不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分［S］.

［5］高宗仁.世界不銹鋼耐熱鋼牌號手冊［M］.太原:山西科學技術出版社，2006:14－19.

［6］劉凡永，廖景娛.氨冷凝器傳熱管腐蝕泄漏分析［J］.壓力容器，2003，20(3):38 －40.

［7］宋兆煌，周文學，黨戰偉.用于板式換熱器的橡膠密封墊片［J］.石油化工設備，2003，32(3):43 －44.

［8］杜清.不銹鋼換熱器管板產生裂紋的原因分析［J］.壓力容器，2004，21(4):50 －53.

［9］廖景娛.金屬構件失效分析［M］.北京:化學工業出版社，2003:101－108.