換熱器冷沖壓波紋板片腐蝕原因探討*]

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(1.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室，甘肅 蘭州730314；3.甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314)

板式換熱器由于具有占地面積小、安裝維修方便、傳熱效率高和質量輕等特點，被廣泛應用到煉油、化工、冶金、食品和制藥等工業領域[1-3]。板式換熱器波紋板片大多是采用耐蝕材質(如不銹鋼、鎳基合金和鈦材等)經冷沖壓壓制而成。但是由于介質組分的多樣性和運行環境的復雜性，如流通截面積小、容易發生堵塞或結垢以及在制造過程中一些無法避免的缺陷，發生腐蝕在所難免[4]92。其中冷沖壓波紋板片的腐蝕失效是板式換熱器最主要的失效形式。

1 均勻腐蝕

均勻腐蝕(全面腐蝕)是金屬材料最常見的腐蝕形態。在腐蝕介質中,冷沖壓波紋板片發生均勻腐蝕，板片與介質接觸的全部或大部分發生腐蝕，導致板片均勻減薄，最后損壞。但是從其使用方面來看，這類腐蝕對于設備的正常運行影響并不大。通過質量損失法就可以準確地估計換熱器使用年限。同時這類腐蝕也不會在短時間內造成設備腐蝕失效，因此換熱器冷沖壓波紋板片的均勻腐蝕危害不大。

C-276哈氏合金板式換熱器波紋板片，熱側介質為冷凝水(157 ℃)，冷側介質為質量分數39%的堿(106 ℃)。冷側波紋板片發生均勻腐蝕,見圖1。該板片表面僅發生輕微的均勻腐蝕，未發生失效。

圖1 C-276板片冷側均勻腐蝕形貌

2 溫差腐蝕

在不銹鋼板式換熱器檢修時，往往會發現其高溫部位比低溫部位腐蝕更為嚴重，其原因是形成溫差電池導致腐蝕加劇[5]8。這是由于不銹鋼換熱片的高溫部位形成陽極，低溫部位形成陰極，導致高溫部位發生腐蝕。但并不是所有換熱器的高溫部位都會形成陽極，這與使用材質和運行介質有關，當低溫部位形成陽極時也會產生溶解腐蝕，高溫部位得到保護。

3 縫隙腐蝕

組成板式換熱器的眾多板片在運行時，相鄰冷沖壓板片波紋頂端相互交叉會形成大量的支撐觸點。在這些觸點處必然存在著縫隙，縫隙容易聚集各類雜物或者銹垢。當換熱器服役時，介質中的腐蝕元素(Cl和S等)就有可能在縫隙中富集。如果縫隙內介質不流動或者流動不暢，導致在縫隙內外存在氧的濃度差，加上腐蝕性元素的存在，就會引起縫隙腐蝕[6]。同時板片壓緊后，密封墊片與波紋板片之間形成縫隙時容易發生縫隙腐蝕[7]47,[8]。發生縫隙腐蝕的縫寬一般為0.025～0.100 mm。縫寬大于0.1 mm的縫隙，介質不容易形成滯流，也就不會發生縫隙腐蝕。介質中有害成分(如氯離子、溴離子、碘離子和氧)的濃度越高，波紋板片發生縫隙腐蝕的敏感性就會越大。當氯離子質量分數超過0.1%時便具備了發生縫隙腐蝕的條件。介質中溶解氧的質量濃度大于0.5 mg/L時也可以引起縫隙腐蝕。此外，溫度越高，發生縫隙腐蝕的可能性越大[9]。

4 孔蝕

當孔蝕發生時，由于電化學腐蝕陽極面積很小，所以腐蝕很快，加上波紋板片厚度均在1 mm左右，很容易造成板片穿孔，導致串液，影響設備正常運行。不銹鋼波紋板片發生孔蝕的原因主要有3個方面[7]47：①不銹鋼材質選擇有問題，如材料中Ni和Mo元素含量偏低，降低了該材料耐氯離子腐蝕的能力。②在板片壓制過程中表面發生機械損傷,表面有灰塵,含有金屬或非金屬的雜質及殘留焊渣。③介質中鹵素離子超標容易形成孔蝕，大多數的孔蝕都是在含氯離子或者氯化物的介質中發生的。隨著介質pH值的升高，會減緩孔蝕的發生；介質流速增大，可減緩孔蝕的發生。不銹鋼換熱器板片的冷沖壓致使顯微組織產生了大量的晶體缺陷與晶格畸變，大大增加了位錯等晶體缺陷的密度，尤其是換熱器板片為奧氏體不銹鋼時，經沖壓后，誘發晶格位錯、馬氏體相變、增加殘余應力等，導致其耐腐蝕性能降低，更容易在各類缺陷位置發生孔蝕。如誘發的相變馬氏體中存在的大量位錯、空洞等，均會在腐蝕環境中形成孔蝕源，提高奧氏體不銹鋼波紋板片的孔蝕敏感性，最終導致孔蝕的產生[10-12]。

材料發生孔蝕的敏感性一般可以通過孔蝕電位的大小進行判斷。孔蝕電位越大，孔蝕越不易發生，孔蝕敏感性越低[13]113。

用于暖氣冷熱水交換的板式換熱器板片材質為316L不銹鋼，水質為自來水，溫度為80～100 ℃。在使用4個采暖期(每個采暖期為5個月)后，出現漏水現象，系循環水中氯離子超標引起的孔蝕。316L波紋板片孔蝕見圖2。

冷卻器用換熱器板片材質為C-276哈氏合金，3臺冷卻器共使用143片板片，4 a后12片發生穿孔。究其原因是由于在板片上存在機械損傷，在表面機械損傷處引起孔蝕造成的。哈氏合金波紋板片發生的機械損傷及孔蝕見圖3和圖4。

圖2 316L波紋板片孔蝕

圖3 波紋板片發生機械損傷

圖4 哈氏合金波紋板片發生的孔蝕

5 應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂是指金屬或者合金材料在腐蝕介質和拉應力的共同作用下發生的金屬或合金的破裂現象。板式換熱器波紋板片由于經冷沖壓軋制而成，其表面存在著較大的殘余應力，加上工作時產生的外應力及其所承受的載荷以及由變形造成的不均勻應力等，為發生應力腐蝕開裂提供了必要的拉應力。且大多數換熱器在較高溫度下運行，對換熱器發生應力腐蝕開裂也有一定促進作用。活性陰離子(尤其是氯離子)是造成換熱器板片發生應力腐蝕開裂的另一個重要因素。由于氯離子半徑小，很容易穿透鈍化膜上存在的小缺陷，破壞局部鈍化膜[14]。溫度也是造成應力腐蝕開裂的重要因素，如溫度越高引起應力腐蝕開裂的氯離子臨界濃度越低[4]92。

從應力腐蝕開裂發生的機理來講，按照陽極溶解理論[5]112,[13]113，如果冷沖壓波紋板片表面已經存在劃痕、小孔或縫隙等缺陷部位及薄弱點，由于該部位電位比其他部位低，成為活性點，為應力腐蝕開裂提供了裂紋核心。在這些裂紋核心存在的前提下，在特定介質(如氯離子等)和拉應力(如表面殘余應力)的共同作用下，產生塑性變形，破壞板片表面的鈍化膜，新裸露出來的金屬表面由于其電位較負，做為陽極而迅速溶解成為蝕坑。蝕坑又在拉應力的作用下沿著滑移線發展成為微觀裂紋。微觀裂紋形成后在其尖端又容易造成應力集中，高的應力集中引起的微觀滑移再次造成尖端鈍化膜的破壞，使尖端再次溶解，裂紋便不斷擴展。隨著裂紋的逐步擴展，拉應力逐漸增大，應力集中更加厲害，導致裂紋迅速擴展，最終引起換熱器的冷沖壓波紋板的開裂失效。

某板式換熱器，服役3個多月后，在進水口所對的腐蝕介質一側發現局部開裂，該換熱器材質為254 SMO，介質為115 ℃氫氧化鈉溶液，水的溫度在130 ℃左右。其失效原因是由于氯離子引起的應力腐蝕開裂(見圖5)。

圖5 板片發生的應力腐蝕開裂

6 磨損腐蝕與磨振腐蝕

磨損腐蝕是指同時存在著高速流體對金屬表面產生的機械沖刷作用和流體介質對金屬表面腐蝕作用[15-16]。這種腐蝕形式主要發生在波紋板片的入口或者導流部位，由于在這些特定部位，介質流速急劇增加形成湍流或渦流，導致板片發生腐蝕破壞。介質的流速是影響其腐蝕速率的最重要外界因素。一般情況下，提高介質流速，會使板片的腐蝕速率增加。

對于板式換熱器冷沖壓波紋板片而言，兩板片的觸點難以完全接觸，板片兩側運行介質的流量和壓力又不可能恒定，導致波紋板片在觸點位置不斷反復出現接觸和分離，從而引起板片的磨振腐蝕。磨振腐蝕過程中，波紋板觸點的反復接觸和分離，導致板片表面的鈍化膜發生破壞，裸露金屬被迅速腐蝕，磨損和腐蝕又反復發生，導致破壞進一步加劇，這樣導致觸點位置形成陽極，其他金屬表面形成陰極，造成小陽極和大陰極，觸點位置的金屬離子由于電化學作用不斷流失，腐蝕也就不斷進行下去，從而造成板片在觸點位置發生腐蝕泄漏[7]48。

7 其他腐蝕形式

除上述常見的腐蝕形式外，板式換熱器冷沖壓波紋板片還有垢下腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕和雜散電流腐蝕等形式。

8 結 語

在實際生產中，有可能是上述某一種腐蝕形式導致波紋板片腐蝕失效，也有可能是幾種腐蝕形式共存，共同導致腐蝕失效，要根據現場生產具體情況進行分析。

[1] 劉志平,王莉,張偉.ASTM SMO254板式換熱器腐蝕的原因[J].腐蝕與防護,2016,37(11):932-935.

[2] 王春妍.可拆式板式換熱器的腐蝕分析及防護措施[J].機械研究與應用,2011(6):42-44.

[3] 孔文彬,馬小明,江楠.板式換熱器板片失效分析[J].壓力容器,2011,28(9):42-46.

[4] 祁玉紅,俞樹榮,李治國.焊接板式換熱器的應力腐蝕及防護[J].石油化工設備,2007,36(2):91-93.

[5] 趙麥群,雷阿麗.金屬的腐蝕與防護[M].北京:國防工業出版社,2014:8,112.

[6] 張亞明,夏邦杰,董愛華.板式換熱器板片穿孔失效分析[J].腐蝕科學與防護技術,2011,23(6):525-528.

[7] 孫淑娟,鄭美麗.板式換熱器的腐蝕與防護[J].石油化工設備,1996,25(5):47-49.

[8] KHODAMORDA S H,ALINEZHAD N,HAGHSHENAS F D,et al.Stress Corrosion Cracking in Type.316 Plates of A Heat Exchanger[J].Case Studies in Engineering Failure Analysis,2016(5-6):59-66.

[9] 雷國慶,張治川.板式換熱器縫隙腐蝕[J].石油化工設備,2003,32(4):66-67.

[10] 郭舒,韓恩厚,王海濤,等.核電站316L不銹鋼彎頭應力腐蝕行為的壽命預測[J].金屬學報,2017,53(4):455-464.

[11] 隋少華,宋天革,隋魯華.冷變形對LC9鋁合金等溫轉變半固態組織的影響[J].鑄造,2006,55(7):683-685.

[12] 許淳淳,張新生,胡鋼.AISI304不銹鋼在冷加工過程中的微觀組織變化[J].北京化工大學學報,2002,29(6):27-31.

[13] 龔利華,王輝煌,湯瑞瑞.時效對節型雙相不銹鋼點蝕和應力腐蝕行為的影響[J].材料熱處理學報,2015,36(8):111-114.

[14] 陳元龍.不銹鋼板式換熱器失效分析[J].全面腐蝕控制,1998,13(2):42-44.

[15] CHEN Jun, ZHANG Qing, LI Quanan,et al.Corrosion and Tribocorrosion Behaviors of AISI 316 Stainless Steel and Ti6Al4V Alloys in Artificial Seawater[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24(4):1022-1031.

[16] 劉景軍,林玉珍,雍興躍,等.不同熱處理條件下雙相鋼的磨損腐蝕[J].腐蝕科學與防護技術,2002,14(3):129-131,151.